0a caratula MsC - UPCommonsupcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/6571/00.pdfMinisterio de...

TESINA

TÍTOL

AUTOR TUTOR/S ESPECIALITAT DATA

CARACTERIZACIÓN HIDRO-MECÁNICA DEL SUELO DEL TERRAPLÉN EXPERIMENTAL DE ROUEN

Antonio Lloret

Enrique Romero

Ingeniería Geotécnica

Barcelona, 11 de febrero de 2009

Rodrigo Gómez

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA

ESCOLA TÈCNICA SUPERIOR D'ENGINYERS DE CAMINS, CANALS I PORTS DE BARCELONA

ETSECCPB

CARACTERIZACIÓN HIDRO-MECÁNICA DEL SUELO DEL TERRAPLÉN EXPERIMENTAL DE ROUEN

_______TESINA DE MÁSTER______ EN INGENIERÍA GEOTÉCNICA aaaaaa

Presentada por: Rodrigo Gómez a

Dirigida por: Antonio Lloret a Enrique Romero a

Barcelona, 11 de febrero de 2009 a

yuuujjuuuuuuu!!!!!

hs & gg

v

RESUMEN Los cambios en las propiedades hidro-mecánicas de los terraplenes están asociados a factores ambientales (lluvia, temperatura, humedad relativa, evaporación y/o condensación) o producidos por inundaciones, que conducen a movimientos y cambios en la capacidad portante, cuya repercusión práctica es indudable. Para evitar los riesgos vinculados a las inundaciones, el planteamiento actual de los proyectos de obras lineales (carreteras, ferrocarriles, canales,...) implica seleccionar los materiales y utilizar suelos poco activos al agua en la construcción de terraplenes que se sitúan en zonas húmedas o potencialmente inundables, teniendo una repercusión ambiental y económica muy importante. El comportamiento de los terraplenes (obras de tierra) se suele contemplar desde una perspectiva empírica. Actualmente, el avance en los métodos de ensayo y las técnicas computacionales, permiten evaluar el comportamiento de los terraplenes desde el marco conceptual coherente que proporciona la mecánica de suelos no saturados. Un aspecto fundamental, es la disponibilidad de datos de un caso real debidamente instrumentado, que proporciona la información necesaria para la verificación y validación de los modelos, así como los materiales necesarios para el estudio experimental. En el desarrollo del estudio experimental de laboratorio, se utilizó un material proveniente de un terraplén experimental disponible. El terraplén se construyó con la base poco compactada con la finalidad de estudiar la colapsabilidad producida por una inundación artificial. Al material extraído, se le realizó un exhaustivo estudio en la fase micro-estructural, así como en la caracterización macroscópica de las propiedades hidro-mecánicas. El análisis microscópico mediante ensayos de porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) y fotografías con microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM), permitió realizar el estudio de la estructura del material compactado en campo (terraplén) a la vez de extraer algunas propiedades macroscópicas, como la curva de retención y la permeabilidad saturada y no saturada (relativa). Los ensayos macroscópicos hidráulicos se han enfocado en el estudio de la curva de retención, determinada con ayuda de un tensiómetro de laboratorio de alta succión y con un psicrómetro de punto de rocío. También ha permitido determinar propiedades hidráulicas como la permeabilidad saturada al agua bajo condiciones de gradiente controlado. Así mismo, incluye ensayos edométricos con control de succión que han permito evaluar mediante retroanálsis la permeabilidad al agua a diferentes grados de saturación. La componente mecánica se enfocó hacia la determinación de las propiedades de compresibilidad frente a carga, determinadas para diferentes humedades. Así mismo, se determinó la colapsabilidad del material bajo inundación ante diferentes tensiones verticales. Incluye también la determinación de las propiedades de resistencia al corte obtenida en ensayo triaxial CIU. El programa experimental desarrollado, ha permitido obtener una amplia base de datos de resultados de ensayos de laboratorio para la estimación de parámetros necesarios en la utilización de modelos constitutivos de suelos no saturados (BBM elastoplástico).

vi

Igualmente con la recopilación de datos de campo (instrumentación) y parámetros obtenidos en el laboratorio, este documento sirve como base de datos para la realización de simulaciones del comportamiento del terraplén experimental frente a un humedecimiento progresivo del material.

vii

ABSTRACT The changes in the hydro-mechanical properties of earth embankments are associated with environmental (rain, temperature, relative humidity, evaporation and/or condensation) factors, as well as by flooding events that lead to displacements and changes in the shear strength carrying capacity, whose practical importance is unquestionable. To avoid flooding risks, the current approach of the projects dealing with lineal earth works (highways, railroads, irrigation canals,...) involves selecting adequate materials that are not very active to the presence of water, specially in the construction of earth embankments that they are located in humid or flooding zones. The behaviour of earth embankments is usually set out from an empirical point of view. Currently, the important advance in the test procedures and the computational techniques, allow evaluating their behaviour from a consistent conceptual framework based on the mechanics of partially saturated soils. A fundamental aspect in this study is the available data base of an experimental test site that provides the necessary information for monitoring and the validation of models, as well as the materials for the experimental study. In the development of the experimental laboratory study, a material coming from an experimental embankment was used. The embankment was built with a base zone poorly compacted with the aim of studying the collapse response that takes place during an artificial flooding. The material recovered from the test site was used to carry out an exhaustive experimental investigation, not only from a micro-structural point of view, but also the macroscopic characterisation of the hydro-mechanical properties. Microstructural tests using mercury intrusion porosimetry (MIP) and environmental scanning photomicrographs (ESEM) allowed analysing the state of the compacted material used in the embankment, as well as determining several hydraulic properties such as the water retention curve and the water permeability properties under saturated and partially saturated conditions. The macroscopic hydraulic tests have been focused on the studio of the retention curve, determined using a high-range tensiometer and a dew-point mirror psychrometer. They also allowed determining the saturated water permeability using controlled-gradient conditions. In addition, controlled-suction oedometer tests allowed evaluating by back-analysis the water permeability at different degrees of saturation. The mechanical tests were focused on the evaluation of the compressibility against loading at different water contents. Likewise, the collapse potential of the material during soaking was evaluated at different constant vertical stresses. Triaxial CIU tests were also performed to determine the shear strength properties. The experimental programme performed allowed obtaining a comprehensive data base of results of laboratory tests, which are useful for parameter calibration when using constitutive models of unsaturated soils (such as the elasto-plastic BBM). In addition, taken into account the field data (instrumentation) and the parameters estimated in the laboratory, this document comes in usefulness by providing a good data set for performing numerical simulations of the behaviour of the experimental embankment when subjected to wetting.

ix

AGRADECIMIENTOS Los innumerables trabajos desarrollados durante estos años no se habrían podido culminar sin el esfuerzo humano, científico y financiero de diferentes personas y entidades, a las cuales les brindo mis más sinceros agradecimientos. En primer lugar, a mis directores de tesis Antonio Lloret y Enrique Romero por el apoyo, la paciencia y confianza depositada para la realización del trabajo, así como a nivel personal. Por el esfuerzo que han empeñado en la transmisión desinteresada de sus conocimientos durante la interminable carrera del saber. De igual manera, a Josep Suriol por todo su apoyo. También a mis amigos y colegas del laboratorio José Álvarez y Tomás Pérez por su ayuda y respaldo con su experiencia en los ‘que haceres’ experimentales. A mi familia, la cual siempre ha estado tan lejos pero tan cerca, con su ánimo y apoyo desde la lejanía. A mis padres y hermanos por su amor, ya que nunca me han 'olvidado' en los momentos difíciles. A JuJu por su paciencia y comprensión por mis ‘amoríos’ con el ‘lab’. A las organizaciones que han financiado y hecho posible el desarrollo de este trabajo: al Ministerio de Fomento a través del proyecto de investigación ‘Evaluación del comportamiento de explanadas y terraplenes a través de la Mecánica del Suelo No Saturado’, al CIMNE, así como a las entidades francesas que permitieron el acuerdo de colaboración científica (LCPC,…), representadas por Valéry Ferber. Por último, y por ello no menos importante, a mis amigos y familia del lab., que me han ‘lidiado’ y apoyado cuando menos lo esperaba (o más lo necesitaba!). Gracias por todos los momentos compartidos, pero sobre todo, por los buenos recuerdos que me llenan de alegría: los quiere, yo! Con cariño para todos uds: para los gordos, para los flacos, para los altos, para los bajos; para los que ríen, para los que lloran; para los blancos, para los negros, para los no tan blancos, para los no tan negros, para los amarillos; para los que montan ensayos, para los que no; para los optimistas, para los pesimistas; para los bronceados, para los nudistas; para los papás, para los futuros; para los viajeros, para los aventureros; para los responsables, para los comprometidos; para los deportistas, para los músicos, para los glotones; para los románticos, para los que me quieren, para los que no me quieren, para los que me quieren mucho, para los que me quieren poco;… para los payasos, para los coleguis; para los originales, para los calculadores, para los que leen, para los que escribe; para los que besan, para los que no; para los primeros, para los últimos; para los precavidos, para los transparentes, para los que suman, para los que no se callan, para los que participan… para los que disfrutan, para los que viven, para los que bailan, para los que no; para los que gozan porque la vida es un carnaval; para los de allá, para los de acá; para él, para ella, para mi, para ti, para todos los demás;… para nosotros!!!… para todos!!!... (TCCC)… yo solo no hubiera sido nada sin uds. y sin toda la gente que siempre estuvo a mi alrededor desde el comienzo… algunos siguen hasta hoy… graaciaasss… toootalessss!!! (gracias… totales!!!) (SS).

xi

TABLA DE CONTENIDO LISTA DE FIGURAS ...........................................................................................................................xiii Capítulo 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1

1.1 Antecedentes ............................................................................................................................... 1 1.2 Objetivos ..................................................................................................................................4 1.3 Estructura de la Tesina .........................................................................................................4

Capítulo 2 EL TERRAPLÉN DE ROUEN........................................................................................ 7

2.1 Introducción............................................................................................................................ 7 2.2 Características del Terraplén..............................................................................................8

2.2.1 Materiales............................................................................................................................8 2.2.2 Estructura............................................................................................................................9 2.2.3 Fases de Construcción ................................................................................................... 10 2.2.4 Condiciones Iniciales después de construcción ....................................................... 11

2.3 Instrumentación................................................................................................................... 12 2.4 Seguimiento del Terraplén: Medidas in-situ................................................................. 14

2.4.1 Altura de agua en las balsas .......................................................................................... 14 2.4.2 Condiciones meteorológicas......................................................................................... 16 2.4.3 Contenido volumétrico de agua y deformación vertical ........................................ 17 2.4.4 Ensayos sobre muestras realizados por el LCPC.................................................... 20

2.5 Muestras del Terraplén Empleadas en Este Trabajo................................................... 21 2.5.1 Muestras inalteradas ..................................................................................................... 22

2.5.1.1 Muestras bloque (Blq) ......................................................................................... 22 2.5.1.2 Muestras de testigos de sondeo (S)...................................................................23

2.5.2 Muestras compactadas ................................................................................................. 24 Capítulo 3 TÉCNICAS EXPERIMENTALES............................................................................... 25

3.1 Equipo Experimental Utilizado ...................................................................................... 25 3.1.1 Porosímetro de intrusión de mercurio ...................................................................... 25 3.1.2 Microscopio electrónico de barrido ambiental ESEM.......................................... 26 3.1.3 Tensiómetro......................................................................................................................27 3.1.4 Psicrómetro de punto de rocío .................................................................................... 28 3.1.5 Célula edométrica............................................................................................................30 3.1.6 Célula edométrica con control de succión ................................................................32 3.1.7 Equipo triaxial................................................................................................................. 34

3.2 Procedimiento de Compactación de Muestras.............................................................35 3.2.1 Preparación del material................................................................................................35 3.2.2 Masa de suelo y agua ......................................................................................................35 3.2.3 Compactación estática con prensa .............................................................................36

3.2.3.1 Equipo de compactación ......................................................................................36 3.2.3.2 Procedimiento de compactación ........................................................................36

3.3 Metodología y Procedimientos de Ensayo.....................................................................37 3.3.1 Caracterización geotécnica...........................................................................................37 3.3.2 Porosimetría de mercurio MIP.....................................................................................38 3.3.3 Fotografías con microscopio electrónico de barrido ambiental ESEM..............39 3.3.4 Curva de retención..........................................................................................................39

3.3.4.1 Tensiómetro............................................................................................................ 40 3.3.4.2 Psicrómetro de punto de rocío............................................................................ 41

3.3.5 Ensayo de permeabilidad saturada ............................................................................. 41

xii

3.3.6 Ensayo triaxial .................................................................................................................42 3.3.7 Ensayo edométrico .........................................................................................................44 3.3.8 Ensayo edométrico con control de succión ..............................................................45

Capítulo 4 RESULTADOS EXPERIMENTALES. INTERPRETACIÓN .............................49

4.1 Caracterización Geotécnica..............................................................................................49 4.1.1 Ensayos de clasificación y compactación..................................................................49 4.1.2 Porosimetría de mercurio MIP .................................................................................... 53 4.1.3 Fotografías ESEM ........................................................................................................... 58

4.2 Curva de Retención.............................................................................................................59 4.2.1 Psicrómetro de punto de rocío WP4 ......................................................................... 59 4.2.2 Tensiómetro .....................................................................................................................60 4.2.3 Retroanálisis de la porosimetría MIP .........................................................................61 4.2.4 Edómetro con control de succión ............................................................................... 63 4.2.5 Curva de Retención según diversos procedimientos .............................................64

4.3 Permeabilidad....................................................................................................................... 68 4.3.1 Permeabilidad saturada................................................................................................. 68

4.3.1.1 En cámara triaxial.................................................................................................. 68 4.3.1.2 Retroanálisis de la porosimetría MIP................................................................71 4.3.1.3 Comparación de la permeabilidad saturada ................................................... 73

4.3.2 Permeabilidad no saturada ........................................................................................... 74 4.3.2.1 Retroanálisis de la porosimetría MIP............................................................... 75 4.3.2.2 Retroanálisis del edómetro con control de succión ...................................... 79 4.3.2.3 Comparación de la permeabilidad no saturada.............................................. 87

4.4 Rigidez ................................................................................................................................... 88 4.4.1 Compresibilidad y colapsabilidad en condiciones edométricas ......................... 88 4.4.2 Comparación de la colapsabilidad in-situ con la de laboratorio......................... 103 4.4.3 Consolidación isótropa bajo condiciones triaxiales............................................. 104 4.4.4 Módulos bajo condiciones triaxiales................................................................... 106

4.5 Resistencia Bajo Condiciones de Carga Triaxial ....................................................... 109 4.6 Acoplamiento Hidro-Mecánico .......................................................................................111

Capítulo 5 RESUMEN. CONCLUSIONES.................................................................................. 119

5.1 Resumen ............................................................................................................................... 119 5.1.1 El terraplén de Rouen ................................................................................................... 119 5.1.2 Investigación experimental realizada ....................................................................... 119 5.1.3 Metodología experimental propuesta ..................................................................... 120 5.1.4 Comparación de la colapsabilidad in-situ con la de laboratorio........................ 121

5.2 Conclusiones........................................................................................................................ 121 5.3 Futuras Líneas de Trabajo ................................................................................................123

5.3.1 Estudio experimental....................................................................................................123 5.3.2 Modelación numérica .................................................................................................. 124 5.3.3 Equipo experimental.................................................................................................... 124

REFERENCIAS .................................................................................................................................... 125

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Esquema y perfiles longitudinal y transversal del terraplén experimental

instrumentado. ............................................................................................................................ 7 Figura 2.2. Vista general del terraplén experimental instrumentado..........................................8 Figura 2.3. Disposición del limo A-28 durante la construcción de la capa colapsable

del terraplén experimental. ......................................................................................................9 Figura 2.4. Dimensiones de la zona instrumentada del terraplén experimental. ................... 10 Figura 2.5. Etapas de la construcción e inundación del terraplén............................................... 11 Figura 2.6. Etapas de construcción e instrumentación con sondas de la base poco

compactada.................................................................................................................................. 11 Figura 2.7. Registro de la evolución de los perfiles de densidad seca realizados con

sondas de rayos gamma, en el eje del terraplén. ................................................................ 12 Figura 2.8. Disposición de algunos de los instrumentos instalados en el terraplén, en

la sección transversal. .............................................................................................................. 13 Figura 2.9. Instalación de la instrumentación: Sonda TDR (izquierda) y medidores

de desplazamiento horizontal (derecha). ........................................................................... 13 Figura 2.10. Situación de la estación meteorológica sobre la coronación del terraplén. ....... 14 Figura 2.11. Variación de la altura de agua en las balsas de inundación. ................................... 15 Figura 2.12. Disposición de las balsas para la saturación de la capa colapsable (limo

A-28), durante la primera y segunda inundación (izquierda y derecha, respectivamente)....................................................................................................................... 15

Figura 2.13. Variación de la temperatura ambiente entre diciembre 2004 y diciembre 2006. ............................................................................................................................................. 16

Figura 2.14. Variación del perfil de temperatura en el eje central del terraplén...................... 17 Figura 2.15. Registro de la evolución del contenido volumétrico de agua y de la

deformación vertical en el eje del terraplén........................................................................ 18 Figura 2.16. Registro de la evolución del contenido volumétrico de agua en el eje y en

el talud oeste, para diferentes alturas del terraplén. ........................................................ 19 Figura 2.17. Perfiles de densidad seca y contenido de humedad en las muestras

tomadas después de la primera inundación. ...................................................................... 21 Figura 2.18. Disposición de las muestras bloque Blq1 y Blq3, luego de ser extraídas del

terraplén. Material A-28......................................................................................................... 22 Figura 2.19. Disposición de la muestras bloque Blq2, luego de ser extraída del

terraplén. Material SNEC. ..................................................................................................... 22 Figura 2.20. Disposición de la muestra de testigo de de sondeo S(4.3-4.9m). Material

A-28. .............................................................................................................................................23 Figura 2.21. Sección transversal del terraplén y localización de las muestras

inalteradas.................................................................................................................................. 24 Figura 3.1. Porosímetro de mercurio: a) Vista general del equipo, b) Detalle del

penetrómetro, c) Detalle del puerto de baja presión y d) Detalle del puerto de alta presión. ............................................................................................................................... 26

Figura 3.2. Microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) Electro Scan 2020. ......27 Figura 3.3. Tensiómetro del CERMES. Detalle del mismo y cámara de saturación. ............. 28 Figura 3.4. Psicrómetro de punto de rocío WP4-T. Detalle del equipo y de la

muestra. .......................................................................................................................................30 Figura 3.5. Esquema de la célula edométrica convencional. Laboratorio de Geotecnia,

UPC. ............................................................................................................................................. 31 Figura 3.6. Célula edométrica y bancada para edómetros con aplicación de carga

mediante brazo de palanca. ....................................................................................................32

xiv

Figura 3.7. Esquema de la célula edométrica con control de succión. Laboratorio de Geotecnia, UPC. ....................................................................................................................... 33

Figura 3.8. Célula edométrica con control de succión. Laboratorio de Geotecnia, UPC.............................................................................................................................................. 34

Figura 3.9. Equipo triaxial automático GDS Instruments Ltd. Detalle de la cámara triaxial. ........................................................................................................................................ 35

Figura 3.10. Molde de compactación estática y prensa de desplazamiento controlado. ...... 37 Figura 3.11. Trayectoria de tensiones 1 seguida en el ensayo triaxial en condiciones

saturadas (p'0=1060kPa). Evolución de la tensión desviadora en función de la tensión media total. .............................................................................................................43

Figura 3.12. Trayectoria de tensiones 2 seguida en el ensayo triaxial en condiciones saturadas (p'0=10150kPa). Evolución de la tensión desviadora en función de la tensión media total. .............................................................................................................44

Figura 3.13. Trayectoria de tensiones seguida en los ensayos edométricos con control de succión ESC-1 y ESC-2. ..................................................................................................... 47

Figura 4.1. Curvas granulométricas. Distribución del tamaño de partículas. Material A-28..............................................................................................................................................50

Figura 4.2. Carta de plasticidad. Clasificación SUSC de la fracción fina de las muestras ensayadas. Material A-28. ....................................................................................50

Figura 4.3. Densidad seca y grado de saturación de las muestras Bloque y Sondeo. Materiales A-28 y SNEC..........................................................................................................51

Figura 4.4. Curvas de compactación. Ensayos para diferentes niveles de energía de compactación dinámica y estática. Material A-28. ......................................................... 52

Figura 4.5. Porosimetrías de mercurio. Evolución del índice de poros y de la función de densidad de distribución con el diámetro del poro intruído, para muestras inalteradas y compactadas estáticamente. Material A-28.............................................. 55

Figura 4.6. Porosimetrías de mercurio. Evolución del índice de poros y de la función de densidad de distribución con el diámetro del poro intruído, para las muestras compactadas dinámicamente. Material A-28.................................................. 56

Figura 4.7. Comparación de las porosimetrías de mercurio realizadas sobre las muestras inalteradas y compactadas. Material A-28....................................................... 57

Figura 4.8. Fotografía ESEM. Vista de la estructura interna de la muestra Blq1 de densidad seca d=1.69Mg/m³. Material A-28...................................................................... 58

Figura 4.9. Fotografía ESEM. Vista de la estructura interna de la muestra Blq1 de densidad seca d=1.69Mg/m³. Material A-28...................................................................... 59

Figura 4.10. Curva de retención en trayectorias de humedecimiento y secado, determinada con el psicrómetro de punto de rocío WP4, sobre la muestra Blq1. Material A-28...................................................................................................................60

Figura 4.11. Curva de retención determinada con el tensiómetro, sobre las muestras S(4.3-4.9m), CE d=1.4Mg/m³ y CE d=1.7Mg/m³. Material A-28...................................61

Figura 4.12. Variación de la curva de retención determinada a partir del ensayo de porosimetría, sobre las muestras inalteradas y compactadas. Material A-28. ..........62

Figura 4.13. Curva de retención obtenida a partir del ensayo edométrico con control succión, sobre probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28..................... 63

Figura 4.14. Resumen de la variación de la succión con el contenido de humedad. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a diferentes densidades secas. Material A-28. ......................................... 65

Figura 4.15. Ampliación de la zona central del resumen de la variación de la succión con el contenido de humedad. Datos obtenidos según diversos

xv

procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a diferentes densidades secas. Material A-28. ..........................................................................................65

Figura 4.16. Curva de retención. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a una densidad seca d=1.4Mg/m³. Material A-28. ........................................................................................................................... 66

Figura 4.17. Curva de retención. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a una densidad seca d=1.7Mg/m³. Material A-28. ............................................................................................................................67

Figura 4.18. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado en la dirección vertical de flujo, en condiciones estacionarias y de gradiente controlado. Ensayo de permeabilidad sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m). Material A-28.................................................................................................................................................. 69

Figura 4.19. Permeabilidad saturada al agua en función del índice de poros inicial, determinada en cámara triaxial sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m). Material A-28. ............................................................................................................................70

Figura 4.20. Permeabilidad saturada al agua, determinada a partir del ensayo de porosimetría, sobre los diferentes tipos de muestras ensayadas. Material A-28...................................................................................................................................................72

Figura 4.21. Permeabilidad saturada al agua. Comparación entre los valores obtenidos experimentalmente y por retroanálisis a partir del ensayo de porosimetría. Material A-28...................................................................................................74

Figura 4.22. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra Blq1. Material A-28. .......................76

Figura 4.23. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra Blq3. Material A-28........................76

Figura 4.24. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.......... 77

Figura 4.25. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra CE d=1.7Mg/m³. Material A-28................................................................................................................................................... 77

Figura 4.26. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra PN. Material A-28. .........................78

Figura 4.27. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra 2PN. Material A-28........................78

Figura 4.28. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra PM. Material A-28. ........................79

Figura 4.29. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado a la probeta y ajuste de la permeabilidad no saturada, a partir del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. Material A-28......................................... 82

Figura 4.30. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado a la probeta y ajuste de la permeabilidad no saturada, a partir del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. Material A-28.........................................83

Figura 4.31. Evolución de la permeabilidad no saturada en función del índice de poros, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. Material A-28. ..................................................................................... 84

Figura 4.32. Evolución de la permeabilidad no saturada en función del índice de poros, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. Material A-28. .....................................................................................85

xvi

Figura 4.33. Variación de la permeabilidad no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. .................................................................................................................. 85

Figura 4.34. Variación de la permeabilidad no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. ................................................................................................................. 86

Figura 4.35. Evolución de la permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. .................................................................................................................. 86

Figura 4.36. Evolución de la permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación, de ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. ................................................................................................................. 87

Figura 4.37. Permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación. Comparación entre los valores obtenidos de la porosimetría y del ensayo edométricos con control de succión, sobre muestras inalteradas y compactadas. Material A-28.................................................................................................. 88

Figura 4.38. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/1 saturada desde el inicio σ'v=10kPa. Material A-28. ............................................................................................................................91

Figura 4.39. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/2 inundada en σ'v=25kPa. Material A-28...............................................................................................................................................91

Figura 4.40. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/3 inundada en σ'v=50kPa. Material A-28..............................................................................................................................................92

Figura 4.41. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/4 inundada en σ'v=100kPa. Material A-28. .................................................................................................................................................92

Figura 4.42. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/5 inundada en σ'v=200kPa. Material A-28.............................................................................................................................................. 93

Figura 4.43. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/6 inundada en σ'v=300kPa. Material A-28.............................................................................................................................................. 93



Figura 4.46. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de hinchamiento. Muestra Blq1/1 saturada desde el inicio σ'v=10kPa. Material A-28. .................................................................................................................................................95

Figura 4.47. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/2 inundada en σ'v=25kPa. Material A-28...................................................95

Figura 4.48. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/3 inundada en σ'v=50kPa. Material A-28...................................................96

Figura 4.49. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/4 inundada en σ'v=100kPa. Material A-28.................................................96

xvii



Figura 4.52. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/7 inundada en σ'v=400kPa. Material A-28................................................ 98

Figura 4.53. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/8 inundada en σ'v=600kPa. Material A-28................................................ 98

Figura 4.54. Variación de los índices de compresión e hinchamiento en función de la tensión efectiva vertical de inundación en los ensayos de colapso bajo condiciones edométricas de la muestra Blq1. Material A-28......................................... 99

Figura4.55. Variación de la permeabilidad saturada en función del índice de poros en el ensayo edométrico saturado (convencional) sobre la muestra Blq1/1. Material A-28. ..........................................................................................................................100

Figura 4.56. Permeabilidad saturada al agua. Comparación entre los valores obtenidos experimentalmente y por retroanálisis a partir del ensayo edométrico saturado (convencional). Material A-28......................................................101

Figura4.57. Evolución del coeficiente de consolidación en función de la tensión efectiva vertical del ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Material A-28. .....101

Figura4.58. Evolución del coeficiente de consolidación secundaria en función de la tensión efectiva vertical del ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Material A-28. ..........................................................................................................................102

Figura 4.59. Resumen de los ensayos de hinchamiento/colapso bajo condiciones edométricas de la muestra Blq1. Material A-28. ..............................................................102

Figura 4.60. Variación del grado de saturación antes de inundación (bajo humedad y tensión vertical constantes) en función de la tensión efectiva vertical de la muestra Blq1. Material A-28................................................................................................. 103

Figura 4.61. Consolidación isótropa en equipo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m), p'0=60kPa. Material A-28. ......................................................................................................105

Figura 4.62. Consolidación isótropa en equipo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m), p'0=150kPa. Material A-28......................................................................................................105

Figura 4.63. Evolución de la tensión desviadora con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28. ................................................... 107

Figura 4.64. Evolución de la relación de tensiones q/p' con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28. ..................................... 107

Figura 4.65. Variación del módulo de deformación secante no drenado con la deformación axial, determinado en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28..............................................................................................................108

Figura 4.66. Variación del módulo de corte con la deformación de corte, determinado en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.................................109

Figura 4.67. Variación de la presión de poros con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28. ....................................................110

Figura 4.68. Envolvente de rotura última, trayectorias de tensiones y parámetros de resistencia c' y ', determinados en la etapa de rotura no drenada del ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28. .................................................... 111

Figura 4.69. Diagrama múltiple SWEP de los ensayos edométricos con control de succión, sobre las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28. .............113

Figura 4.70. Variación de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación en función de la succión matricial, del ensayo edométrico con

xviii

control de succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28............................................................................................................................................. 114

Figura 4.71. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante la trayectoria AB del ensayo edométrico con control de succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28............................................................................................................................................. 115

Figura 4.72. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante la trayectoria BC del ensayo edométrico con control de succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28............................................................................................................................................. 116

Figura 4.73. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante las trayectorias CD y DE del ensayo edométrico con control de succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28. ................................................................................................. 117

1

Capítulo 1

INTRODUCCIÓN

1.1 ANTECEDENTES

Para evitar los riesgos vinculados a las inundaciones, el planteamiento actual de los proyectos de obras lineales (carreteras, ferrocarriles, canales, oleoductos o similares) conduce a seleccionar los materiales y a utilizar no más que suelos poco activos al agua, en la construcción de terraplenes que se sitúan en zonas húmedas o potencialmente inundables. Esta medida de precaución puede tener importantes consecuencias financieras y medioambientales. Desde el punto de vista ambiental, quizá se realiza una explotación exagerada de recursos en materiales no renovables. Desde el punto de vista financiero, el coste de los materiales poco activos al agua extraídos fuera de la zona de influencia del proyecto, es generalmente superior (un orden de magnitud o más) al coste de los materiales eventualmente disponibles en la zona de influencia de la obra. Esto podría explicarse, entre otros muchos factores, a la escasez de datos y observaciones realizados sobre obras reales y a la dificultad de establecer vínculos entre los ensayos de laboratorio y el comportamiento a escala real. El efecto que causan las variaciones de humedad sobre el comportamiento de las capas estructurales de los terraplenes y del terreno subyacente (explanadas), genera un continuo estudio por parte de los investigadores y una especial atención de las administraciones de carreteras. Aunque hoy se comprenden razonablemente bien muchos aspectos del papel que juega el agua en este tipo de estructuras (variaciones estacionales del contenido de humedad, efecto de la humedad sobre la deformabilidad y rigidez de las capas, interacción con las cargas del tráfico, procedencia de las aguas de infiltración, papel del drenaje), los fenómenos son complejos, especialmente condicionados por el clima local de la zona de proyecto y por las propiedades de los materiales utilizados. Aunque se ha avanzado notablemente en la creación de especificaciones y criterios de diseño óptimo para resolver los problemas de drenaje de carreteras (Cristopher y MacGuffey, 1997), es necesario profundizar también en los conceptos fundamentales y en la elaboración de modelos de comportamiento que sean de aplicabilidad general. La variación del contenido de humedad en terrenos de explanada, naturales o terraplenes, tiende a ser un fenómeno complejo, controlado por diferentes aspectos. En nuestros días es difícil generalizar y recurrir a normas sencillas de proyecto, debido a la diversidad de materiales que podemos encontrar en las zonas de ejecución de las obras lineales. Una recomendación práctica de proyecto, suele ser eliminar o minimizar la variación del contenido de humedad a partir del momento de finalización de la construcción de la estructura. De esta forma se evitan los cambios volumétricos, así como las variaciones en la rigidez, que idealmente deben corresponder a las condiciones de diseño. A grandes rasgos y a partir de la experiencia práctica, el efecto del clima y la situación del nivel freático pueden resumirse en la Tabla 1.1 (Russam y Coleman, 1961), donde se indica la gran variedad de situaciones que puede esperarse y la dificultad para encontrar modelos empíricos simples.

Caracterización Hidro-Mecánica del Suelo del Terraplén Experimental de Rouen.

2

Por todo ello y añadiendo a lo anteriormente descrito, que las deformaciones ocurridas en los suelos parcialmente saturados han sido objeto de múltiples investigaciones durante las últimas décadas, algunas de las cuales se han enfocado en el estudio del comportamiento de los suelos colapsables. Dicho comportamiento se caracteriza por la aparición de asentamientos a causa de una inundación, generalmente de una magnitud considerable. Este fenómeno, en líneas generales, es controlado por factores como los parámetros intrínsecos del material (proporción de arcilla y actividad físico-química de dicha fracción), por las condiciones finales de compactación (contenido de humedad y densidad seca), por la tensión vertical a la que se encuentra sometida la estructura mientras ocurre la inundación y por condiciones externas a la estructura, como por ejemplo, la disposición del suelo de cimentación (terreno subyacente), del riesgo de inundación y de las variaciones climatológicas estacionales (época húmeda/seca).

Tabla 1.1. Efectos del clima y la posición del nivel freático (N.F.) en terraplenes.

N.F. Clima Superficial Profundo o inexistente

Árido Caso poco corriente (proximidad de ríos o del mar). Superficie: humedad controlada por la humedad relativa ambiente. La humedad está controlada por el N.F. en sus proximidades.

Habitual en climas áridos. Humedad controlada por la humedad relativa ambiente: Poca variación anual. Las lluvias producen cambios transitorios, en general de corta duración. Poca variación esperable de la humedad dentro y fuera del área pavimentada.

Intermedio Si es próximo al firme, el N.F. controla la distribución de humedad bajo el pavimento. Interacción compleja: lluvia/evaporación/N.F.

Infiltración y evaporación controlan la humedad bajo las capas del firme. Interacción compleja: lluvia/evaporación.

Húmedo Habitual en climas húmedos. El N.F. controla la distribución de humedad. Pocas diferencias dentro y fuera del área pavimentada. Variaciones anuales de humedad pequeñas. Drenaje profundo efectivo. Pequeñas elevaciones de la plataforma mantienen débiles succiones.

Poco común.

Dentro del contexto de la mecánica de suelos no saturados se han desarrollado modelos constitutivos que utilizan como variables el estado tensional y la succión del suelo, y la temperatura en el caso más general, para obtener las deformaciones y los cambios de contenido de agua en el suelo. Estos modelos junto con el análisis numérico de los flujos de aire, agua (en sus distintas fases) y calor, han permitido resolver problemas complejos donde el acoplamiento termo-hidro-mecánico es importante. Por ejemplo, la necesidad de modelar el comportamiento de las barreras de ingeniería (arcilla expansiva altamente

Capítulo 1. Introducción.

3

compactada), en el campo del almacenamiento de residuos radioactivos de alta actividad, ha proporcionado, por parte de las agencias gestoras de estos residuos, la financiación necesaria para impulsar (durante la última década) la puesta a punto de este tipo de modelos. Sin embargo, el empleo de estos modelos en otros campos de la ingeniería civil aún es muy limitado. El estudio de los terraplenes de vías de comunicación (y en general de las obras lineales), es uno de los campos donde se refleja notoriamente la utilidad de estos modelos. Dichos modelos permitirían comprender los procesos en juego y realizar ejercicios de simulación valorando diferentes alternativas, siendo especialmente útiles en la interpretación de comportamientos inadecuados. Previamente, para poder llegar a calibrar y/o desarrollar estos modelos, se hace indispensable la obtención de diversos parámetros de diferente índole, como por ejemplo los derivados de ensayos de laboratorio y/o de obras reales debidamente instrumentadas. Actualmente el avance en los métodos de ensayo puede contribuir al desarrollo de los modelos para permitir la evaluación del comportamiento de los terraplenes dentro del marco conceptual de la mecánica de suelos no saturados. Mediante la utilización de la investigación experimental como herramienta, este estudio pretende contribuir con la creación de una base de datos de laboratorio para la caracterización de materiales provenientes de terraplenes, o suelos compactados en general, que permitan mejorar los métodos de análisis de respuesta frente a cambios en el contenido de agua, producidos por cambios ambientales (lluvia, temperatura, humedad relativa, evaporación y/o condensación) o provocados por inundaciones. Con esto se pretende establecer una metodología de análisis que incorpore procedimientos poco convencionales en la caracterización de las propiedades de los materiales. Ello permitirá, no solamente tener en cuenta las propiedades iniciales de los materiales sino también la influencia de los factores externos, como el clima o las inundaciones, en el comportamiento de la obra. La disponibilidad de terraplenes debidamente instrumentados que pueden aportar muestras para la realización de ensayos de laboratorio, a demás de datos para validar los modelos numéricos, es muy limitada. Para el desarrollo del estudio realizado, con el objetivo de disponer de muestras y datos reales, en julio de 2006 se logró un acuerdo de colaboración científica con el “Laboratoire Central des Ponts et Chausséss” (LCPC), la “Ecole Nationale des Ponts et Chausses” (Institut Navier/ CERMES) de Paris, el Centre d’Expérimentations Routières (CER) de Rouen y el “Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement” (CETE) de Normandía Centro, los cuales disponen de un terraplén experimental instrumentado, construido en las instalaciones del CER en Rouen (Francia). Se ha realizado una campaña exhaustiva de ensayos de laboratorio sobre muestras inalteradas y compactadas del material del terraplén de Rouen. Esta campaña ha incluido: la caracterización geotécnica; la determinación de la curva de retención (humedad-succión); la caracterización de la compresibilidad en condiciones edométricas; el análisis de la capacidad de colapso; el estudio de la microestructura mediante porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) y fotografías con microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM); la comparación de la estructura entre muestras inalteradas y compactadas, para las ultimas siguiendo diversos procedimientos de compactación dinámica y estática; la determinación de la resistencia y deformación bajo condiciones de carga triaxial en estado saturado a fin de obtener parámetros para caracterizar el comportamiento mecánico en condiciones saturadas de los materiales; la determinación de la permeabilidad saturada y no saturada; la determinación de la compresibilidad en


4

condiciones edométricas a lo largo de trayectorias de carga-descarga y de humedecimiento-secado (cambio de succión). El trabajo realizado ha permitido determinar algunas de las respuestas de comportamiento del material utilizado en la construcción del terraplén del que se dispone, así como derivar algunos parámetros necesarios para la modelación del comportamiento de la estructura.

1.2 OBJETIVOS

De acuerdo a lo expuesto con anterioridad, el propósito fundamental del trabajo realizado durante esta investigación, es proporcionar una extensa base de datos de laboratorio para la caracterización de un material proveniente de un terraplén experimental, que nos permita mejorar los métodos de análisis de terraplenes frente a cambios en el contenido de agua. Estas variaciones son producidas por cambios ambientales (lluvia, temperatura, humedad relativa, evaporación y/o condensación) o provocadas por inundaciones. Este propósito se ha abordado siguiendo una metodología experimental, mediante la consecución de los siguientes objetivos parciales: Establecer una metodología experimental que incorpore procedimientos poco

utilizados en la práctica convencional para la caracterización de las propiedades de materiales finos destinados a la construcción de terraplenes u obras de tierra, en general.

Realizar la puesta a punto de técnicas experimentales y equipos de laboratorio

necesarios para alcanzar el objetivo anterior. Caracterización e identificación de las propiedades del material A-28 del Terraplén

experimental de Rouen (suelo fino colapsable), con el objetivo de conocer las propiedades índice y determinar los parámetros de comportamiento reproduciendo respuestas características, principalmente frente a cambios volumétricos en condiciones saturadas y no saturadas, en la determinación de características hidráulicas, primordialmente de la succión, así como de la rigidez y la resistencia.

Determinar algunos parámetros que permitan contribuir a la evaluación de las

deformaciones ocurridas en terraplenes frente inundaciones o ciclos ambientales (humedecimiento/secado).

1.3 ESTRUCTURA DE LA TESINA

La memoria de la tesina de máster se ha dividido en cinco capítulos, los cuales se describen a continuación: En el Capítulo 2, se describe con detalle El Terraplén de Rouen (terraplén experimental debidamente instrumentado), del cual se extrajeron los materiales para la realización del presente trabajo experimental de laboratorio. Se describe desde su proceso de construcción, pasando por los equipos de instrumentación utilizados e instalación de los mismos durante construcción, así como los periodos de medidas realizados durante los ciclos de humedecimiento/secado (cambios estacionales) e inundación súbita utilizando

Capítulo 1. Introducción.

5

balsas en los costados del mismo, hasta presentar los principales resultados obtenidos mediante la instrumentación de campo. En el Capítulo 3, Técnicas Experimentales, se describen el equipo experimental de laboratorio y su utilización, los tipos de muestras ensayadas, la metodología desarrollada, las trayectorias de tensiones realizadas y los procedimientos de ensayo utilizados durante la investigación, separados en tres secciones: Equipo Experimental, Tipos de Muestras y Metodología y Procedimientos de Ensayo. En el Capítulo 4, Resultados Experimentales, se presentan los resultados de los ensayos de laboratorio, el análisis e interpretación de los datos obtenidos, agrupados por tipo de ensayo. En el Capítulo 5, se presenta un Resumen y las Conclusiones. Inicialmente se hace una síntesis del trabajo desarrollado a lo largo de la tesina. A continuación se exponen las principales conclusiones derivadas del trabajo experimental de investigación realizado. Finalmente se proponen algunas futuras líneas de trabajo.

7

Capítulo 2

EL TERRAPLÉN DE ROUEN

2.1 INTRODUCCIÓN

El ‘Laboratoire Central des Ponts et Chaussées’ (LCPC), el ‘Centre d’Expérimentations Routières’ (CER) de Rouen, el ‘Centre d’Études Techniques de l’Equipement’ (CETE) de Normandía Centro y la ‘Société National des Chemins de Fer’ (SNCF) suscribieron un convenio de participación para la financiación y construcción de un terraplén experimental instrumentado, el cual fue construido en las instalaciones del CER en Rouen (Francia). El terraplén de 5.4m de altura se construyó durante el otoño de 2004. En la Figura 2.1 se muestra un esquema de la sección típica de los perfiles longitudinal y transversal del terraplén. En la Figura 2.2 se aprecia una fotografía de la vista general del terraplén. La parte inferior del terraplén, hasta una altura de 1.8m, se construyó con un limo poco compactado (densidad seca d entre 1.3 y 1.5Mg/m³) para favorecer el colapso. Por otra parte, se construyeron en los costados longitudinales del terraplén, dos pequeñas balsas para poder inundar el primer metro de altura del terraplén durante un periodo aproximado de tres meses. El terraplén está instrumentado, a demás de una estación metereológica ubicada en su coronación, con sensores de temperatura y succión, sondas TDR y medidores de desplazamiento, que han permitido monitorizar los cambios de humedad y deformaciones en el terraplén de forma continua. También se dispone de registros verticales de la densidad seca mediante sondas de rayos gamma.

Zona Instrumentada(Limos)

Rampa de acceso Gravas (Todo Uno)

Perfil Longitudinal

Perfil Transversal Zona Instrumentada

(limos)

Parte Inferior (poco compactada)

~4/1

~3/2

Capa drenante

Norte Sur

Oeste Este

~ 1 m Geomembrana

Drenes

Parte Superior

Perfil Norte

Perfil

Sur Perfil

Central

SNEC

Perfil Eje Central

Perfil Talud

Parte Superior (compactada)

Parte Inferior

Balsa para inundación

Rampa de acceso Gravas (Todo Uno)

A-28

SNEC

A-28

Figura 2.1. Esquema y perfiles longitudinal y transversal del terraplén experimental instrumentado.


8

Figura 2.2. Vista general del terraplén experimental instrumentado.

2.2 CARACTERÍSTICAS DEL TERRAPLÉN

El terraplén y su instrumentación, se concibieron con varios objetivos: Observar las consecuencias en las evoluciones de los efectos meteorológicos sobre las

variaciones del perfil hídrico en las capas superficiales. Observar la influencia de la saturación con agua en la base del terraplén sobre los

incrementos de altura capilar en el cuerpo de la estructura. Observar las relaciones existentes entre las variaciones en el estado hídrico y las

deformaciones locales reales en la estructura, para compararlas con los resultados de los ensayos de laboratorio.

Evaluar durante un período prolongado de tiempo, la capacidad y precisión de los distintos captadores de contenido de agua y de succión en una obra de tierras.

Para garantizar que las deformaciones debidas a la inundación fueran importantes y en consecuencia medibles, se decidió que se compactaría débilmente la base del terraplén.

2.2.1 Materiales

En la construcción del terraplén se utilizaron dos materiales: un limo procedente de las obras de la autopista A-28 (750t) para constituir la base poco compactada; y un limo arenoso correspondiente al material de una cantera cercana (SNEC, 900t) para el resto de la estructura. En total, aproximadamente 1650t de material. En la Figura 2.3 se muestra una fotografía de la disposición del limo A-28 durante la puesta en obra. La granulometría de los limos pone de manifiesto que los dos materiales se distinguen claramente por la proporción de finos, el limo A-28 con un 95% contra sólo el 40% del limo

Capítulo 2. El Terraplén de Rouen.

9

SNEC. En términos de la proporción de partículas arcillosas (<2μm), la diferencia es menos drástica, siendo el limo A-28 más arcilloso que el SNEC (23 contra 13%). Las diferencias en la granulometría tienen influencia directa sobre los límites de Atterberg. Así, el limo A-28 es más plástico que el SNEC, lo que se traduce también en un contenido en humedad más elevado en el ensayo Proctor Normal wOPN (14.5 contra 12,5%) y una densidad seca máxima d máx más baja (1.85 contra 1.92Mg/m³). Se realizaron dos curvas de retención al limo A-28, determinadas por el método osmótico, sobre muestras compactadas a dos densidades secas diferentes, correspondientes al 78 y 100% de la energía de compactación Proctor Normal. Puede observarse que las dos curvas son similares, apreciándose claramente una diferencian para la succión nula. Estos dos valores corresponden al contenido de agua de saturación, pudiéndose constatar que el efecto de la densidad seca sobre la curva de retención de este tipo de materiales no es apreciable hasta valores muy cercanos a la succión nula.

Figura 2.3. Disposición del limo A-28 durante la construcción de la capa colapsable del terraplén experimental.

2.2.2 Estructura

La estructura experimental está constituida por la parte instrumentada (Figura 2.4), compuesta por los dos limos antes mencionados, a la cual se añadieron dos rampas de acceso a la plataforma (Figura 2.1). Las rampas de acceso se construyeron con una grava de la cual se disponía en las instalaciones del CER.


10

3/2

21.2m

5.4m

5m

10m

Figura 2.4. Dimensiones de la zona instrumentada del terraplén experimental.

Para separar el terraplén del suelo natural de cimentación, se colocaron geomembranas como dispositivo de aislamiento y estanqueidad (Figura 2.1). A demás, se pusieron una capa drenante y drenes longitudinales, destinados a eliminar las aguas superficiales e impedir los aumentos capilares en el limo antes de las pruebas de inundación.

2.2.3 Fases de Construcción

La construcción de la estructura del terraplén se realizó en tres fases: Primera fase: preparación del terreno de cimentación, instalación de los elementos de

aislamiento y de la base drenante. Segunda fase: construcción del tercio inferior, de 0 a 1.8m de altura con relación a la

capa drenante, con el limo A-28 (base poco compactada). Tercera fase: construcción de los dos tercios superiores con el limo SNEC, de 1.8 a 5.4m

de altura. La base poco compactada (tercio inferior) se construyó con el principal objetivo de obtener una capa colapsable, con un porcentaje de compactación inferior al 80%. La compactación de la primera capa de 0.5m de espesor, se realizó con dos pasos del cargador con tambor, pero las medidas de la densidad seca tomadas inmediatamente después de la compactación, dieron como resultado, a pesar de la poca energía de compactación, el porcentaje de compactación alcanzaba ya un 90% de la energía Proctor Normal. Debido a esto, el resto de la base se construyó en una única capa 1.25m de espesor, exceptuando las zonas donde se instalaron las diferentes sondas de medida, en el costado derecho de la zona instrumentada, principalmente. La compactación también se realizó con dos pasos del cargador. En la Figura 2.5 se muestran las etapas de la experimentación (construcción e inundación). En la Figura 2.6 se muestra una fotografía del proceso de construcción e instrumentación de la base poco compactada con el limo A-28. Los dos tercios superiores del terraplén experimental se construyeron con el limo SNEC siguiendo las normas de compactación del GTR (Francia). La compactación se realizó a razón de cuatro pasadas del compactador por capa de 0.3m de espesor.


11

Construcción Inundación

1 m1 m

In. 1

In. 2

Figura 2.5. Etapas de la construcción e inundación del terraplén.

Figura 2.6. Etapas de construcción e instrumentación con sondas de la base poco compactada.

2.2.4 Condiciones Iniciales después de construcción

A medida que se avanzaba en la construcción del terraplén en sus distintas etapas, se realizaron medidas del contenido de agua y de la densidad seca con el objetivo de conocer, lo más precisamente posible, el estado inicial. En general, las medidas del contenido de agua realizadas sobre la base poco compactada, revelan que los valores se encuentran por encima del valor óptimo del ensayo Proctor Normal. La Figura 2.7 muestra los resultados de los perfiles de densidad seca realizados con sondas de rayos gamma (de punta y doble), en la cual se aprecia que el porcentaje de


12

compactación, entre los 0.5 y 1.0m, de la base poco compactada fue inferior al 80% de la energía Proctor Normal, tal como se deseaba. En la parte superior del terraplén, se obtuvo una media de 95% de la energía de compactación Proctor Normal.

Figura 2.7. Registro de la evolución de los perfiles de densidad seca realizados con sondas de rayos gamma, en el eje del terraplén.

2.3 INSTRUMENTACIÓN

En el terraplén se instalaron seis tipos de instrumentos: Sondas TDR (Time Domain Reflectometry) que permiten seguir la evolución del

contenido en agua volumétrico del suelo (40 unidades). Equitensiómetros, para el seguimiento de la variación de la succión del suelo (15). Sensores de temperatura (25). Medidores de desplazamiento vertical (18). Medidores de desplazamiento horizontal (8). A demás, se instaló una estación meteorológica sobre la plataforma de coronación del terraplén, la cual consta de un anemómetro, una veleta, un sensor de radiación solar, un pluviómetro, dos sensores de temperatura, dos sensores de humedad relativa, un sensor de presión atmosférica, un sensor de punto de rocío y un sensor de temperatura del suelo. Para conocer la altura de agua en los lados de la base del terraplén (balsas) y evaluar la carga hidráulica aplicada a la base de la estructura, se pusieron dos transductores de presión en la capa drenante, en el pie de cada talud. En la Figura 2.8 se muestra un esquema de la disposición de la instrumentación en el terraplén.


13

En la Figura 2.9 se muestran fotografías de la instalación de diferentes equipos de medida utilizados en la instrumentación del terraplén.

Figura 2.8. Disposición de algunos de los instrumentos instalados en el terraplén, en la sección transversal.

Figura 2.9. Instalación de la instrumentación: Sonda TDR (izquierda) y medidores de desplazamiento horizontal (derecha).


14

Figura 2.10. Situación de la estación meteorológica sobre la coronación del terraplén.

2.4 SEGUIMIENTO DEL TERRAPLÉN: MEDIDAS IN-SITU

2.4.1 Altura de agua en las balsas

Una vez finalizadas todas las etapas de construcción e instrumentación del terraplén (diciembre 2004), la estructura se dejó sometida a las variaciones climatológicas naturales por un periodo de tiempo de un año. Finalizado este periodo, el terraplén se sometió a dos inundaciones, a comienzos y a finales de 2006, previa saturación de la capa drenante. La primera inundación se realizó en tres etapas: Saturación de la capa drenante, cuyo objetivo era observar los efectos sobre la base del

terraplén con relación a los aumentos capilares. Llenado de agua de las balsas instaladas a los costados del terraplén con una altura de

agua (carga hidráulica) del orden de 1.4m, con el objetivo de saturar completamente la capa colapsable (limo A-28) y ver las consecuencias, en términos de colapsos y/o asentamientos.

Vaciado de las balsas y seguimiento de la variación del contenido en agua en la base del terraplén.

La segunda inundación se realizó en una sola balsa (costado oeste) para observar la influencia de una inundación asimétrica sobre el comportamiento del terraplén y al mismo tiempo evaluar el efecto de la nueva inundación con un nivel de agua superior al inicial (1.8m). La Figura 2.11 muestra las alturas de agua registradas por los transductores instalados en la capa drenante, durante las diferentes etapas de la inundación. En la figura se aprecia que el nivel de agua alcanzado durante la primera inundación es casi igual en las dos balsas, aunque con pequeñas fluctuaciones. Se ve claramente el periodo intermedio entre


15

inundaciones, casi sin aumentos importantes de nivel y por último, se distingue la segunda inundación en la balsa oeste sin influencia sobre la balsa este. En la Figura 2.12 se muestran dos fotografías de las balsas utilizadas para la saturación de la base del terraplén, durante la primera y segunda inundación, izquierda y derecha, respectivamente.

Figura 2.11. Variación de la altura de agua en las balsas de inundación.

Figura 2.12. Disposición de las balsas para la saturación de la capa colapsable (limo A-28), durante la primera y segunda inundación (izquierda y derecha, respectivamente).


16

2.4.2 Condiciones meteorológicas

En la Figura 2.13 se muestra la evolución cíclica anual y diaria en la variación de la temperatura del aire (izquierda) y el registro pluviométrico, donde se aprecia que el terraplén estuvo sometido a lluvias regulares de poca intensidad (derecha). En la Figura 2.14 se muestra el perfil de temperatura registrado en el eje central del terraplén. En la figura se aprecia la influencia de la temperatura exterior sobre la capa de suelo más superficial del terraplén (coronación).

Figura 2.13. Variación de la temperatura ambiente entre diciembre 2004 y diciembre 2006.


17

Figura 2.14. Variación del perfil de temperatura en el eje central del terraplén.

2.4.3 Contenido volumétrico de agua y deformación vertical

Antes de realizar las inundaciones en la capa colapsable del limo A-28, las sondas TDR no registraron cambios importantes en el contenido volumétrico de agua a excepción de una de ellas, en la que se pensó que existía una pequeña infiltración, corroborada por las deformaciones verticales registradas en la misma zona. En cuanto a la deformación vertical sufrida por la misma capa (limo A-28), se estableció que la base colapsable tuvo un asentamiento del orden del 8% antes de ser sometida a la primera inundación, en la zona más débilmente compactada (entre 0.5 y 1.2m), que coincide con la zona de la infiltración de agua.


18

Las dos inundaciones realizadas aportaron pequeños asentamientos suplementarios. Durante la primera inundación, en la zona más débilmente compactada se traduce en un asentamiento total del orden del 10%, es decir que dicha inundación sólo aporta un 2% más de asentamientos, en otras palabras, la capa ya había adquirido el 80% del asentamiento total antes de ser sometido a la inundación. La segunda inundación aportó solamente asentamientos por encima de la cota 0.5m, evidenciando que el suelo que se encontraba saturado (por debajo de los 0.5m) no reacciona ante la nueva inundación. La Figura 2.15 muestra, a modo de comparación, un registro de la evolución del contenido volumétrico de agua y de la deformación vertical en la base poco compactada (limo A-28), en el eje del terraplén.

Figura 2.15. Registro de la evolución del contenido volumétrico de agua y de la deformación vertical en el eje del terraplén.


19

En la parte superior del terraplén (limo SNEC), las variaciones registradas se debieron exclusivamente a las condiciones meteorológicas. Las sondas TDR situadas cerca a la superficie de coronación del terraplén, evidenciaron variaciones del contenido volumétrico de agua poco después del inicio del registro de datos, debido a la infiltración de aguas lluvias. En profundidad, este aumento del contenido de agua volumétrico se presentó con un desfase de tiempo en la zona de profundidad intermedia del terraplén, disminuyendo nuevamente con la profundidad. Una situación similar se evidenció en los taludes del terraplén con las precipitaciones pero, a lo largo del tiempo se registraron disminuciones del contenido de agua por las escasas lluvias sucedidas en diferentes periodos de tiempo. La Figura 2.16 muestra la evolución del contenido volumétrico de agua a diversas alturas en el eje y en el talud oeste del terraplén.

Figura 2.16. Registro de la evolución del contenido volumétrico de agua en el eje y en el talud oeste, para diferentes alturas del terraplén.


20

En cuanto a las deformaciones verticales, la parte superior del terraplén (limo SNEC) no sufrió variación alguna, lo cual puede explicarse por la gran proporción arenosa del tipo de suelo utilizado. Por último, con relación a las deformaciones horizontales registradas, los desplazamientos medidos fueron casi despreciables. Esto indica que los desplazamientos verticales no se acompañaron de deformación lateral.

2.4.4 Ensayos sobre muestras realizados por el LCPC

Se determinó un perfil de densidades en profundidad, sobre muestras inalteradas (ver Sección 2.5.1.2) por el método de la balanza hidrostática (de la parafina), y sobre el terraplén con la ayuda de una sonda de rayos gamma. Los valores obtenidos por los dos métodos son bastante similares, salvo algunas excepciones para algunas profundidades. A partir de de dichos perfiles, se pudo determinar el cambio de la densidad seca antes y después de la inundación, que pasó de variar entre 1.3 y 1.5Mg/m³ antes de la inundación, a variar entre 1.6 y 1.85Mg/m³ después de la primera inundación. En el metro inferior del terraplén, el contenido de humedad determinado después de la inundación se mantiene relativamente constante en un valor cercano al 18%. En esta misma zona, la densidad seca se promedio en un valor de 1.7Mg/m³, que corresponde a un contenido de humedad de saturación del orden del 21%. Esto nos indica que en el momento que se realizó el sondeo, el grado de saturación del suelo correspondía al 86%. En la Figura 2.17 se muestran los perfiles de densidad seca y contenido de humedad determinados a partir de las muestras del sondeo.


21

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4,0

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5,0

5,1

5,2

1,6 1,7 1,8 1,9 2Masse volumique sèche (g/cm3)

Pro

f (m

) Banc gammaPesée hydrostatique

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5

5,1

5,2

0% 10% 20% 30%Teneur en eau pondérale

Pro

f (m

)

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4,0

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5,0

5,1

5,2

1,6 1,7 1,8 1,9 2Masse volumique sèche (g/cm3)

Pro

f (m

) Banc gammaPesée hydrostatique

3,4

3,5

3,6

3,7

3,8

3,9

4

4,1

4,2

4,3

4,4

4,5

4,6

4,7

4,8

4,9

5

5,1

5,2

0% 10% 20% 30%Teneur en eau pondérale

Pro

f (m

)

Figura 2.17. Perfiles de densidad seca y contenido de humedad en las muestras tomadas después de la primera inundación.

2.5 MUESTRAS DEL TERRAPLÉN EMPLEADAS EN ESTE TRABAJO

En esta sección se describen las características de los diferentes tipos de muestras utilizadas en la realización de los ensayos de laboratorio, ejecutados en esta investigación experimental. La determinación de la humedad y densidad seca, para la condición de colocación del material en la construcción del terraplén (inicial) y la condición final tras el periodo de ensayos, fue importante debido a la necesidad de lograr fabricar muestras artificiales que reprodujeran dichas condiciones (la estructura). La fabricación de esas muestras fue inevitable, debido al elevado número de ensayos de laboratorio que fue necesario ejecutar. No se disponía de muestras de material inalterado en la condición inicial, y tampoco se disponía del suficiente material inalterado en la condición final para realizar el total de los ensayos de laboratorio. Para el desarrollo del estudio experimental se lograron obtener muestras inalteradas y alteradas provenientes del terraplén. Estas muestras fueron representativas del material inundado (condiciones finales). Las muestras inalteradas fueron recuperadas en forma de bloque y de testigos de sondeo, mientras que las alteradas se recuperaron en bolsa.


22

2.5.1 Muestras inalteradas

2.5.1.1 Muestras bloque (Blq)

Del terraplén se recuperaron un total de tres muestras bloque, los cuales se denominaron Blq1, Blq2 y Blq3. Las muestras Blq1 y Blq3 fueron extraídas del material A-28 (capa poco compactada), mientras que la muestra Blq2 fue tomada del material SNEC. Las dimensiones, aproximadas, de los bloques Blq1 y Blq3 fueron de 25x25x25cm y del bloque Blq2 de 25x26x12.5cm. La Figura 2.18 muestra fotografías de los bloques Blq1 y Blq3 (material A-28), al igual que la Figura 2.19 muestra una fotografía del bloque Blq2 (material SNEC), luego de ser extraídos del terraplén. En la Figura 2.21 se muestra la localización del punto de extracción de las muestras bloque en el terraplén.

Figura 2.18. Disposición de las muestras bloque Blq1 y Blq3, luego de ser extraídas del terraplén. Material A-28.

Figura 2.19. Disposición de la muestras bloque Blq2, luego de ser extraída del terraplén. Material SNEC.


23

2.5.1.2 Muestras de testigos de sondeo (S)

Con el objetivo de ampliar la campaña de ensayos de laboratorio, durante el periodo de tiempo comprendido entre las dos fases de inundación, se realizó un sondeo de 5.4m de profundidad a partir de la coronación del terraplén, localizado en el eje longitudinal del mismo. De este sondeo se extrajeron muestras inalteradas tipo Shelby (de 100mm de diámetro interno del tubo), con recuperación continua cada 0.6m, aproximadamente. La realización del sondeo permitió recuperar muestras inalteradas de buena calidad sobre el material A-28. Debido a la presencia de partículas gruesas mezcladas con el limo en el material SNEC, no se lograron recuperar muestras de tan alta calidad sobre este material. Los tubos de los testigos de sondeo (muestras) se denominaron S(2.6-3.1m), S(3.7-4.3m) y S(4.3-4.9m). La muestra S(2.6-3.1m) se extrajo sobre el material SNEC, mientras que la S(3.7-4.3m) es una mezcla de los materiales SNEC y A-28 (transición de las capas). La muestra S(4.3-4.9m) es del material A-28 y sobre la cual se realizaron los ensayos de laboratorio. En la Figura 2.20 se presenta una fotografía del testigo de sondeo S(4.3-4.9m) antes de ser ensayado en el laboratorio. En la Figura 2.21 se muestra la ubicación del sondeo en el terraplén.

Figura 2.20. Disposición de la muestra de testigo de de sondeo S(4.3-4.9m). Material A-28.


24

Limo (A28)

Limo arenoso (SNEC)

Oeste Este

Capa drenante Suelo natural

Geotextil (filtro) Dren

Secci ó

L á mina impermeable

Sondeo

Muestra 1 (3.6 - 4.1 m) Muestra 2 (3.7 - Muestra 3 (4.3 - 4.9 m)

Limo (A-28)

Limo arenoso (SNEC)

Oeste Este

Capa drenante Suelo natural

Geotextil (filtro) Dren

Sección transversal

L á mina impermeable

Sondeo

S(2.6-3.1m)

S(3.7-4.3m)

S(4.3-4.9m)

Blq1

Blq3

Blq2

Figura 2.21. Sección transversal del terraplén y localización de las muestras inalteradas.

2.5.2 Muestras compactadas

Con el material en estado suelto (alterado), se prepararon muestras en el laboratorio. Para ello se utilizó la compactación dinámica (ensayos Proctor) y estática (en célula edométrica y prensa con desplazamiento controlado). Dentro de los ensayos de compactación, se prepararon muestras compactadas estáticamente en célula edométrica y bancada para edómetros; realizando la compactación bajo el concepto de tensión controlada, la cual fue aplicada en escalones de carga hasta alcanzar el valor deseado (ensayo edométrico, el cual se describe más adelante en el apartado 3.3.7). Estas muestras se denominaron CE σ'v=500kPa y CE σ'v=600kPa, donde CE se refiere a compactación estática y σ'v=500 o 600kPa se refiere a la tensión vertical máxima aplicada. También se prepararon muestras compactadas dinámicamente, siguiendo los procedimientos de los ensayos Proctor. Estas muestras se denominaron PN, 2PN y PM, donde PN se refiere a la energía de compactación del ensayo Proctor Normal, 2PN al doble de la energía del Proctor Normal y PM a la energía del ensayo Proctor Modificado. También se realizaron compactaciones estáticas bajo desplazamiento controlado, en una prensa modelo Digital Tritest de la casa ELE International, con las que se prepararon las muestras en el laboratorio. Estas muestras se denominaron CE d=1.4Mg/m³ y CE d=1.7Mg/m³, donde CE se refiere a compactación estática y d=1.4 o 1.7Mg/m³ se refiere a la densidad seca alcanzada en la compactación. Para la realización de los ensayos edométricos con control de succión las muestras se denominadas CE d=1.4Mg/m³ ESC-1 y CE d=1.4Mg/m³ ESC-2, donde ESC hace referencia a edómetro de succión controlada y los números 1 y 2 a la probeta.

25

Capítulo 3

TÉCNICAS EXPERIMENTALES

A efectos de desarrollar el trabajo experimental planteado dentro de esta investigación y poder caracterizar el comportamiento del material A-28, es de suma importancia contar con un plan sistemático y adecuado de trabajo. Esto incluyó una selección adecuada del conjunto de técnicas y procedimientos experimentales, así como del equipo de laboratorio necesario para lograrlo. El equipo de laboratorio debe ser capaz de reproducir de forma realista las condiciones de utilización del material en estudio, aportando la información necesaria en la obtención de los parámetros que nos permitan realizar los modelos y/o diseños más adecuados. Existen numerosos estudios de referencia para la caracterización de laboratorio, donde se explican las técnicas y procedimientos experimentales. El trabajo realizado por Romero (1999) sirvió como principal fuente de referencias en el presente estudio. En este capítulo se describe el programa experimental, el equipo de laboratorio utilizado así como su funcionamiento y los tipos de muestras sobre los que se realizaron los ensayos en el estudio. Primero se hace una descripción del equipo experimental y sus propiedades. Posteriormente se describen los tipos de muestras utilizadas para la preparación de las probetas de ensayo en el laboratorio. Por último, se presentan la metodología y procedimientos de ensayo seguidos en el estudio, donde también se describe el programa experimental seguido.

3.1 EQUIPO EXPERIMENTAL UTILIZADO

En esta sección se describen las principales características de los equipos de laboratorio utilizados en la realización de los ensayos.

3.1.1 Porosímetro de intrusión de mercurio

El porosímetro de intrusión de mercurio permite realizar ensayos de porosimetría de intrusión de mercurio (MIP), para conocer la distribución del tamaño de los poros que se encuentran interconectados entre sí dentro de un material; esto se realiza mediante la aplicación de niveles de presión a una muestra sumergida en mercurio. La presión aplicada hace que el llenado con mercurio de los poros se logre primero en los de mayor tamaño y luego en los de menor tamaño. Los ensayos se realizaron en un porosímetro de mercurio fabricado por la casa Micromeritics, modelo AutoPore IV 9500, el cual permite realizar dos etapas en la aplicación de la presión. La primera, la cual corresponde a la etapa de baja presión en la que se aplican valores en un rango entre 0.0025 y 0.2MPa; y la segunda, la etapa de alta presión en la que se aplican valores en un rango entre 0.2 y 220MPa. En la etapa de baja presión, el equipo utiliza nitrógeno seco (aire seco) como fluido para aplicar la presión


26

sobre el mercurio, mientras que en la etapa de alta presión utiliza aceite. El equipo y sus accesorios se muestran en la Figura 3.1. El porosímetro mide el volumen total de mercurio inyectado en los poros de la muestra y la presión aplicada para lograrlo. Así, cuando se aumenta la presión se calcula el tamaño del poro para cada incremento de presión, al mismo tiempo que se mide el volumen de mercurio necesario para llenar estos poros. La presión aplicada al mercurio en cada incremento nos da información del tamaño de los poros y el volumen total de mercurio inyectado nos da información sobre el índice de poros en la muestra.

Figura 3.1. Porosímetro de mercurio: a) Vista general del equipo, b) Detalle del penetrómetro, c) Detalle del puerto de baja presión y d) Detalle del puerto de alta presión.

3.1.2 Microscopio electrónico de barrido ambiental ESEM

El microscopio electrónico de barrido ambiental ESEM (Environmental Scanning Electron Microscopy) permite estudiar la estructura interna de un material y obtener imágenes con diferentes valores de aumentos del tamaño (acercamientos).

a)

b)

c)

d)

Capítulo 3. Técnicas Experimentales.

27

El equipo utilizado en este estudio fue el modelo Electro Scan 2020, el cual se muestra en la Figura 3.2. La técnica se basa en interpretar la información de los electrones que se encuentran en la periferia de la superficie del material en estudio, en la que la fase de vapor de agua cargado (H2O+) presente en la superficie del material actúa como película conductora, cuando la muestra se bombardea con un haz de electrones secundarios y estos se reflejan sobre la estructura al aplicarlos bajo una resolución de 100Å, permitiendo una adecuada visualización de la estructura del material. Con la información recopilada por los diferentes sensores es posible obtener imágenes tridimensionales. El equipo permite trabajar con presiones absolutas entre 1 y 50Torr (0.13 y 6.67kPa), con variaciones de 20C respecto a la temperatura ambiente (mediante un dispositivo termoeléctrico Peltier) y con muestras hidratadas. La mezcla de las condiciones de presión de vapor y temperatura imponen una humedad relativa dentro de la cámara que permite realizar trayectorias de humedecimiento-secado de la muestra durante su estudio.

Figura 3.2. Microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) Electro Scan 2020.

3.1.3 Tensiómetro

El tensiómetro permite medir la succión que tiene un suelo de acuerdo con su contenido de humedad (o grado de saturación). En el presente estudio se utilizó un tensiómetro de tipo Ridley (Ridley & Burland, 1993), desarrollado por el CERMES en Francia. En la Figura 3.3 se muestra una fotografía del tensiómetro y su cámara de saturación. Este equipo permite medir en el rango de las denominadas bajas succiones (inferiores a 1.5MPa), teniendo un rango de medida de la succión entre 0 y 1.5MPa. La piedra porosa cerámica de alto valor de entrada de aire (AVEA) es de 1.5MPa de capacidad, con un diámetro de 13.6mm y un espesor de 3.95mm.


28

El principio de funcionamiento del tensiómetro se basa en la deformación que sufre una galga extensométrica (alojada en una pequeña cámara interior), al producirse un vacío generado por el movimiento (transferencia) del agua que se encuentra en los poros de la piedra AVEA hacía el suelo parcialmente saturado (en el exterior), en otras palabras, el suelo parcialmente saturado reclama el agua que se encuentra en la piedra porosa y esto genera un vacío en el interior del tensiómetro que a su vez produce que se deforme la galga extensométrica. Así la deformación de la galga, medida en milivoltios (mV), se correlaciona con la succión del suelo. El tensiómetro debe estar conectado a una fuente de alimentación a una tensión de 10VCC y a un sistema de lectura y adquisición de datos, preferiblemente (en su defecto a un voltímetro con capacidad de dos o más decimales en la escala de lectura de milivoltios), para obtener los datos de salida que genera la galga extensométrica y mediante la curva de calibración, correlacionarlos con la succión del suelo. Previamente a la utilización del tensiómetro, se debió realizar la saturación de la piedra porosa AVEA, aplicándole primero un vacío en la cámara de saturación, luego una rampa de saturación con presión de agua hasta alcanzar 4MPa durante un periodo de 48 horas y finalmente un secado de la piedra AVEA poniéndola en contacto con un suelo seco compacto (no en polvo). Este procedimiento se debió repetir muchas veces, siempre con el tensiómetro conectado a la fuente de alimentación, para mejorar y garantizar el buen funcionamiento del mismo. Finalmente, se realizó la calibración del tensiómetro. El procedimiento completo de puesta a punto del tensiómetro se describe en Mantho, A. (2005).

Figura 3.3. Tensiómetro del CERMES. Detalle del mismo y cámara de saturación.

3.1.4 Psicrómetro de punto de rocío

El psicrómetro de punto de rocío permite medir la succión que tiene un suelo de acuerdo al contenido de agua presente en este suelo.


29

En este estudio se utilizó un psicrómetro de punto de rocío1, también conocido como psicrómetro de espejo, modelo WP4-T de la casa Decagon Devices Inc, el cual se muestra en la Figura 3.4. Este equipo permite medir en un rango de altas succiones (superiores a 1.5MPa), con capacidad para realizar medidas de la succión total entre 1 y 100MPa de rango de trabajo. El principio de funcionamiento del WP4 se basa en la técnica del punto de rocío (con espejo frío) para medir el potencial del agua. El potencial del agua es una forma de medir el estado de la energía del agua presente dentro de un sistema. Así, el potencial del agua de una muestra líquida o sólida puede ser encontrado relacionando el potencial del agua medido en una muestra con la presión de vapor del aire en equilibrio con la muestra, es decir, que en equilibrio, el potencial del agua del aire en un ambiente controlado (cerrado) es el mismo que el potencial del agua presente en la muestra. El WP4 realiza la medida de la succión en una pequeña cámara hermética, donde se controlan la temperatura de la muestra con un termómetro de infrarrojos y la temperatura del aire de la cámara con un sensor de temperatura de punto de rocío (dispositivo termoeléctrico Peltier) puesto sobre un espejo. Para detectar la primera condensación ocurrida sobre el espejo se utiliza una célula fotoeléctrica que está constantemente enviando un haz de luz el cual se refleja sobre el espejo; cuando el sensor fotoeléctrico detecta un cambio en la reflexión del haz de luz es que ha ocurrido la condensación. La cámara hermética también cuenta con un pequeño ventilador cuya función es acelerar el equilibrado dentro de la misma y controlar la conductancia en la capa de borde del sensor de temperatura de punto de rocío (Peltier). Del conjunto de medidas, se calcula la presión de vapor del aire presente en la cámara como la presión de vapor del aire saturado a la temperatura de punto de rocío. Cuando el potencial del agua de la muestra y el del aire de la cámara se encuentran en equilibrio, previa medición de la presión de vapor de la cámara y de la temperatura de la muestra para la cual se calculo la presión de vapor saturado, obtenemos el potencial del agua de la muestra. La calibración del equipo se realizó con soluciones salinas de cloruro de potasio (KCl) y cloruro de sodio (NaCl), de concentración (succión) conocida. Más detalles del equipo y de la técnica de medida son descritos en Cardozo et al (2007) y en Decagon Devives Inc (2003).

1 Punto de rocío se refiere a la primera condensación del vapor de agua contenido en una masa de aire saturado (humedad relativa del 100%).


30

Figura 3.4. Psicrómetro de punto de rocío WP4-T. Detalle del equipo y de la muestra.

3.1.5 Célula edométrica

Los equipos utilizados corresponden a células edométricas convencionales que permiten medir la consolidación axial (unidimensional), también conocidas como edómetro de Terzaghi o de Casagrande o consolidómetro, las cuales fueron desarrolladas por el Laboratorio de Geotecnia de la UPC. Estas células utilizan anillos con dimensiones de 50mm de diámetro y 20mm de altura. La célula edométrica es un equipo metálico rígido que consta, principalmente, de cuatro partes: la base, el anillo porta muestras, un cuerpo central y el cabezal. La base cuenta con una piedra porosa y un reservorio de agua, los cuales se conectan a través de un conducto con la finalidad de realizar la saturación del material. La piedra porosa es metálica y muy permeable, fácil de montar y desmontar, que sirve de apoyo a la muestra y su anillo. El anillo porta muestra debe tener muy buen acabado (pulido) en su diámetro interno para evitar la fricción entre el metal y el suelo. Este se apoya en la base de forma concéntrica con la piedra porosa. El cuerpo central se acopla a la base mediante tres tornillos, sujetando (‘abrazando’) el anillo porta muestras e impidiendo su movimiento; al mismo tiempo hace de prolongación del anillo para permitir un mayor recorrido y garantizar el movimiento vertical del cabezal. Por ultimo, el cabezal que se apoya sobre la parte superior de la muestra y tiene como función distribuir la carga vertical de forma uniforme sobre el área de la misma. Este también cuenta con una piedra porosa metálica, la cual hace de interfase entre el cabezal y la muestra de suelo, permitiendo el paso del agua (drenaje) por la parte superior de la muestra. En la Figura 3.5 se presenta un esquema de la célula edométrica desarrollada en el Laboratorio de Geotecnia de la UPC. En el esquema se enumeran los principales


31

componentes: 1) Base, 2) Cuerpo central, 3) Anillo porta muestras, 4) Cabezal, 10) Piedra porosa inferior, 11) Tornillo de acoplamiento, 12) Canal de saturación y 14) Tórica superior.

Figura 3.5. Esquema de la célula edométrica convencional. Laboratorio de Geotecnia, UPC.

Para la aplicación de la carga vertical se utilizó una bancada para edómetros marca ProEti S.A., que permite la aplicación de la carga mediante brazo de palanca. La bancada es un marco metálico rígido que tiene capacidad para albergar tres células edométricas, con sus correspondientes brazos, lo que permite realizar hasta tres ensayos simultáneos. La carga vertical a la muestra es aplicada mediante un sistema de palanca, a través de un brazo metálico rígido que se apoya sobre el cabezal, obteniéndose un efecto multiplicador de la carga vertical. Para el anillo de 50mm de diámetro (utilizado en este caso), con el efecto multiplicador se pueden aplicar fuerzas verticales hasta de 4500kN, lo cual representa sobre la muestra, una tensión vertical de 1.5MPa, aproximadamente. En la Figura 3.6 se muestra una fotografía de la célula edométrica y de la bancada para edómetros utilizados en el estudio.


32

Figura 3.6. Célula edométrica y bancada para edómetros con aplicación de carga mediante brazo de palanca.

3.1.6 Célula edométrica con control de succión

El equipo utilizado corresponde a una célula edométrica con control de succión desarrollada por el Laboratorio de Geotecnia de la UPC, el cual cuenta con un anillo de dimensiones de 50mm de diámetro y 20mm de altura. En la se muestra un esquema de la célula edométrica con control de succión desarrollada en el Laboratorio de Geotecnia de la UPC. En la Figura 3.8 se muestra una fotografía del equipo y sus componentes. La célula edométrica con control de succión es un equipo metálico rígido que se compone de cinco partes fundamentales: la base, el anillo porta muestras, el cuerpo central, la parte superior y el marco rígido. La base del equipo esta formada de dos piezas: el plato y una base apoya muestras. En el plato se alojan las conexiones para válvulas (agua y/o aire) y sirve de apoyo al marco rígido. Al centro de éste se coloca la base apoya muestras, que es intercambiable dependiendo del tipo de ensayo y de la técnica de control de succión a utilizar. La base utilizada en la campaña de ensayos contó con una piedra porosa cerámica de alto valor de entrada de aire (AVEA) de 100kPa de capacidad, con una permeabilidad saturada de 8.6x10−8m/s y con dimensiones de 50mm de diámetro y 7.15mm de espesor. La base seleccionada permite utilizar la técnica de traslación de ejes en el control de la succión. El anillo porta muestras se apoya de forma concéntrica sobre la base apoya muestras y permite realizar ensayos sobre probetas con altura variable entre 10 y 20mm. El cuerpo central del equipo contiene al anillo porta muestras (no permite su moviendo) y aloja las conexiones para las válvulas de presión y circulación de aire. Estas conexiones permiten utilizar diferentes configuraciones en función de la técnica experimental utilizada (traslación de ejes o transferencia de vapor).


33

La parte superior de la célula también se compone de dos elementos: el cabezal de carga y el plato superior. El cabezal de carga apoya sobre la muestra de suelo y permite la aplicación de la carga vertical de forma neumática. Dicho cabezal se pone en contacto con la muestra por medio de una piedra porosa metálica, permitiendo el drenaje de la muestra por la parte superior. El plato superior o tapa, cierra y conecta la cámara de presión vertical con el sistema de presión de aire. El marco rígido cumple la función de dar apoyo al sistema de medida (micrómetro o LVDT) de la deformación vertical de la muestra. Para obtener una descripción más detallada del equipo edométrico con control de succión, referirse a Hoffmann (2005). La medida del cambio de volumen de agua en las etapas de cambio de succión, se realizó mediante un equipo controlador de presión y volumen de la casa GDS Instruments Ltd (control de presiones con una resolución de 1kPa y control del volumen con una resolución de 0.5mm³/paso).

Figura 3.7. Esquema de la célula edométrica con control de succión. Laboratorio de Geotecnia, UPC.


34

Figura 3.8. Célula edométrica con control de succión. Laboratorio de Geotecnia, UPC.

3.1.7 Equipo triaxial

El equipo utilizado para la realización de los ensayos, es un equipo triaxial automático fabricado por la empresa GDS Instruments Ltd., acondicionado para ensayos sobre muestras en condiciones saturadas, siendo bastante robusto y permitiendo trabajar con un amplio tipo de suelos. En la Figura 3.9. Equipo triaxial automático GDS Instruments Ltd. se muestra el equipo y sus componentes. El equipo está compuesto por una caja que aloja el pistón de deformación vertical (axial), un sistema de control y adquisición de datos, dos pistones controladores de presión y volumen y una cámara triaxial. La deformación vertical es impuesta por un pistón controlado por un motor paso a paso con una resolución de 1m. La medida de la fuerza axial se realizó mediante una célula de carga sumergible de 4kN de capacidad (<0.05% FS de histéresis y <0.05% FS de no linealidad), la cual se sitúa en la parte superior de la cámara triaxial. Para una muestra de 38mm de diámetro la histéresis y la no linealidad representan un valor de 1kPa. La cámara triaxial tiene una capacidad máxima de presión de trabajo de 1700kPa. Las tensiones de cámara y de agua intersticial se aplican mediante pistones automáticos (controladores de presión y volumen), los cuales son desplazados por un motor paso a paso, que permite el control de la presión con una resolución de 1kPa y el control del volumen de agua de hasta 0.5mm³/paso. La presión de cola (conectada al cabezal inferior) y la presión de cámara se miden con transductores incorporados internamente en el mismo controlador, mientras que la presión de poros (conectada al cabezal superior) se mide con un transductor de presión externo. Los componentes electrónicos del equipo triaxial, son controlados por un programa de control y adquisición de datos desarrollado por la misma Empresa, el cual se encuentra instalado en un computador. Con ello, el conjunto del equipo es capaz de controlar de forma automática las variaciones de tensión y/o deformación, según la trayectoria que se quiera seguir durante el ensayo.


35

Figura 3.9. Equipo triaxial automático GDS Instruments Ltd. Detalle de la cámara triaxial.

3.2 PROCEDIMIENTO DE COMPACTACIÓN DE MUESTRAS

Para la ejecución de este trabajo fue necesaria la compactación de muestras en el laboratorio, a partir del material en estado suelto (alterado) recuperado del terraplén. Para ello se siguió el protocolo que se describe a continuación.

3.2.1 Preparación del material

El suelo fue disgregado manualmente hasta conseguir una fracción pasante por el tamiz de abertura 0.425mm (ASTM #40); luego el material fue terminado de secar al aire bajo las condiciones del laboratorio por un periodo de 48 horas, antes de determinar su humedad higroscópica (wh≈2.6%).

3.2.2 Masa de suelo y agua

Se debe determinar la masa de suelo seco y agua necesarios para preparar la probeta a partir de la densidad seca, del volumen y del contenido de humedad (preestablecidos con anterioridad), utilizando la siguiente ecuación:

s+ dM V (1 )w w (3.1) siendo Ms+w la masa de suelo y agua, d la densidad seca, V el volumen de la muestra y w el contenido de humedad. Para el cálculo del contenido de humedad w se tenía en cuenta la masa de agua higroscópica presente en el suelo dispuesto para la compactación. Una vez determinadas las masas de suelo y agua necesarias, se procedía a la mezcla de los mismos hasta lograr una masa homogénea con ayuda de una espátula.


36

3.2.3 Compactación estática con prensa

Las compactaciones se realizaron bajo el concepto de desplazamiento controlado o deformación constante. La compactación consiste en deformar gradualmente una masa de suelo con el propósito de densificar el material, aplicando una fuerza sobre el suelo hasta conseguir la altura deseada dentro de un molde de área constante. Con la aplicación de la tensión los granos de suelo son desplazados, obligándoles a adherirse entre sí. Al mismo tiempo el agua va ocupando los poros del suelo. El suelo se compactó con un pistón de acero, que transmitía el esfuerzo de compactación aplicado por el marco de carga de la prensa. El desplazamiento del pistón se hizo gradual y lentamente, con una velocidad de avance de 0.2mm/min. La carga aplicada al final de la compactación se mantuvo durante un tiempo superior a 15 minutos, para evitar el efecto de rebote en el suelo. Debido a las dimensiones tan reducidas en altura (20mm), las muestras fueron compactadas en una sola capa de suelo.

3.2.3.1 Equipo de compactación

El equipo consta de un molde y un pistón. El molde de compactación es un equipo rígido de acero que sostiene el anillo porta muestra y sirve al mismo tiempo de guía al pistón, el cual es el encargado de desplazar la masa de suelo hasta obtener la altura deseada. Para garantizar que la altura fuera siempre la misma (d constante) el pistón cuenta con un cabezal de diámetro mayor (pistón en forma de T), así el desplazamiento del pistón se detenía cuando su cabezal (aletas) entraba en contacto con el borde superior del molde (contacto metal con metal).

3.2.3.2 Procedimiento de compactación

Se situó la masa de suelo y agua dentro del molde, luego se insertó el pistón de compactación haciéndolo girar para homogeneizar la superficie del material y que fuera lo más horizontal posible, con el propósito que el pistón asentara mejor. A continuación se aplicó la carga estática a una velocidad de desplazamiento del pistón de 0.2mm/min hasta que el cabezal del pistón hiciera contacto con el molde, momento en que se detuvo el desplazamiento. Al detener la compactación, la aplicación de la carga estática se mantuvo por un periodo de tiempo no inferior a 15 minutos. En la Figura 3.10 se muestran el equipo de compactación y la prensa para aplicación de la carga (desplazamiento controlado).


37

Figura 3.10. Molde de compactación estática y prensa de desplazamiento controlado.

3.3 METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS DE ENSAYO

El programa experimental desarrollado se enfocó en la determinación de las características y propiedades del material A-28, con el objetivo de conocer las propiedades índice y poder determinar los parámetros de comportamiento (reproducir respuestas características), principalmente frente a cambios volumétricos en condiciones saturadas y no saturadas, en la determinación de las características hidráulicas, primordialmente de la succión, así como de la rigidez y la resistencia. A continuación se describen el programa, la metodología y el procedimiento de ensayo, seguidos durante las fases de la investigación, aunque siendo no estrictamente cronológico su desarrollo. Se enuncian las normas (si es el caso) y/o procedimientos que cumplen con los criterios establecidos para la realización de los ensayos de laboratorio.

3.3.1 Caracterización geotécnica

En la realización de los procedimientos habituales (estándar) de trabajo de laboratorio, con el fin de obtener los parámetros de clasificación geotécnica y propiedades índice del material en estudio, se siguieron los criterios establecidos en las normas que se describen a continuación: Granulometría: Granulometría por tamizado según la norma UNE 103-101/95 y por Sedimentación según la norma UNE 103-102/95. Límites de consistencia: Límite líquido según la norma UNE 103-103/94 y Límite plástico según la norma UNE 103-104/93. Humedad: Contenido de humedad según la norma UNE 103-300/93. Densidad: Densidad en la balanza hidrostática según la norma UNE 103-301/94. Densidad de partículas sólidas: Peso específico de las partículas sólidas según la norma UNE 103-302-94.


38

Compactación: Proctor Normal: Propiedades de compactación a la energía del ensayo Proctor Normal (1200kN.m/m³) según la norma UNE 103-500/94 y Proctor Modificado: Propiedades de compactación a la energía del ensayo Proctor Modificado (2700kN.m/m³) según la norma UNE 103-501/94.

3.3.2 Porosimetría de mercurio MIP

La porosimetría de mercurio o intrusión de mercurio (MIP, Mercury Intrusion Porosimetry), es un ensayo que permite estudiar el volumen de poros interconectados y su distribución por tamaño en un material. Las muestras ensayadas tenían una forma cúbica de aproximadamente 10mm de arista (1cm³), a las cuales previamente se les realizó un tratamiento mediante la técnica de frezze drying, la cual consiste en congelar rápidamente el agua de los poros y luego extraerla de la muestra sin alterar el tamaño de la estructura del suelo, eliminando de la superficie del poro las fuerzas de tensión causadas por las interfaces de aire-agua. Para la interpretación de los resultados del ensayo, se asume que los poros presentes en el suelo se encuentran interconectados entre sí, que son de forma cilíndrica y de diferente diámetro. Para realizar la porosimetría, se debe conocer el peso de la probeta a ensayar así como su índice de poros. Se inicia situando la muestra dentro del penetrómetro, luego, con el penetrómetro debidamente sellado y situado en el puerto de baja presión (presión absoluta del mercurio en un rango de valores entre 0.0025 a 0.2MPa), como primera medida se retira el aire de la muestra, aplicando vacío. Posteriormente, la presión va en aumento, llenando el penetrómetro de mercurio hasta que éste comienza a introducirse en los poros de mayor tamaño de la muestra de suelo. Terminada esta primera etapa, el penetrómetro es cambiado al puerto de alta presión (presión absoluta del mercurio en un rango de valores entre 0.2 y 220MPa) donde se continúa con el llenado de los poros, accediendo a los de menor tamaño. Al finalizar las etapas de llenado, se da comienzo a la extracción del mercurio disminuyendo la presión aplicada de forma controlada. Normalmente, el volumen de mercurio extraído difiere del intruído debido a la histéresis que se presenta durante las dos etapas. También se atribuye esta diferencia, al mercurio que se queda atrapado en los poros que no están interconectados pero que son intruídos. Para el estudio de la microestructura del limo A-28 se siguió un programa exhaustivo de porosimetrías de mercurio. En él se incluyó la caracterización inicial de la estructura del terraplén sobre las muestras inalteradas de bloque y de sondeo, así como sobre las muestras compactadas en el laboratorio. El estado inicial de las muestras inalteradas era: Blq1: densidad seca d=1.72Mg/m³ y contenido de humedad w=17.5%; Blq3: densidad seca d=1.69Mg/m³ y contenido de humedad w=18.1%; y S(4.3-4.9m): densidad seca d=1.66Mg/m³ y contenido de humedad w=19.3%. Para las compactadas en el laboratorio era: CE d=1.7Mg/m³: densidad seca d=1.7Mg/m³ y contenido de humedad w=18.7%; PN: densidad seca d=1.79Mg/m³ y contenido de humedad w=16.2%; 2PN: densidad seca d=1.82Mg/m³ y contenido de humedad w=13.4%; y PM: densidad seca d=2.02Mg/m³ y contenido de humedad w=11.5%.


39

3.3.3 Fotografías con microscopio electrónico de barrido ambiental ESEM

Debido al amplio rango de aumentos del microscopio ESEM y a que las muestras no requieren ningún tipo de tratamiento previo, se pueden determinar rápida y sencillamente, de forma cualitativa, características como el tamaño medio de partículas, su distribución, su morfología, así como el tamaño de los poros y la distribución de la porosidad. La muestra para el ESEM consta de un pequeño trozo (15mm³) tomado de la probeta que se desea estudiar. La muestra debe colocarse en un pequeño portaobjetos el cual es introducido en la cámara de trabajo del microscopio (que permite el control de la presión y la temperatura). El programa de fotografías tomadas con el ESEM consistió en la caracterización inicial de la estructura del terraplén en la capa del limo A-28, con el fin de comparar los resultados con los obtenidos en los ensayos de porosimetría de mercurio. Para ello se estudió la muestra inalterada Blq1 con densidad seca d=1.69Mg/m³ y contenido de humedad w=17.1%. En la observación y para obtener la mejor resolución de las fotografías, se utilizó una temperatura constante de 20C con una presión absoluta de vapor de uv=5Torr (uv=0.67kPa), correspondiente a una humedad relativa de H.R.≈30% (succión ≈160MPa). Se realizaron fotografías con dos acercamientos, el primero a una resolución de 350 aumentos (350x) con la finalidad de definir los puntos específicos a analizar, y el segundo a una resolución de 1000 aumentos (1000x) para obtener el detalle de la zona en estudio. Los tiempos de exposición se intentaban que fueran lo más cortos posibles, nunca superiores a 10 minutos, para evitar que la muestra se secara y variaran las condiciones del material.

3.3.4 Curva de retención

La curva de retención es la relación existente entre el contenido de agua (o el grado de saturación) presente en el suelo con su succión. La curva de retención también se conoce como curva característica y corresponde a un suelo determinado que se encuentra a una densidad seca determinada (índice de poros constante). Existen factores que influyen directamente sobre la forma de la curva de retención, como la granulometría, la composición mineralógica y la estructura del suelo. En otras palabras, que el tamaño y la geometría de los poros, así como los minerales presentes en la fracción fina del material, nos determinan la forma de la curva. Para pequeños valores de succión (grado de saturación elevado), priman el efecto capilar, el tamaño y la distribución de los poros, es decir, prima la estructura. Por otra parte, para valores elevados de succión, tiene mayor importancia la superficie específica de los minerales presentes en la fracción fina, ya que el agua se encuentra casi adsorbida por las partículas de suelo. En trayectorias de humedecimiento y secado para un mismo tipo de suelo, la curva de retención presenta diferencias, es decir, que para el mismo contenido de humedad se pueden obtener valores diferentes de succión si se trata de humedecimiento o secado, esto debido al fenómeno de la histéresis. Para la determinación experimental de la curva de retención en el laboratorio se utilizaron dos equipos, que utilizan técnicas de medida diferentes, los cuales se describen a continuación.


40

3.3.4.1 Tensiómetro

En la determinación de la succión inicial y de la curva de retención de las diferentes muestras del limo A-28, se realizaron medidas con el tensiómetro del CERMES, el cual permite obtener valores en un rango entre 0 y 1.5MPa. Para realizar una medida de succión, se ponían en contacto el tensiómetro y el suelo parcialmente saturado. La superficie del suelo debía ser lo más regular posible, es decir, plana y sin discontinuidades como orificios o grietas. Para garantizar un mejor contacto entre las superficies se aplicó una capa muy fina de lechada (slurry) del mismo material, (fracción pasante por el tamiz #40 ASTM (0.425mm) del material seco), entre las dos superficies, garantizando así la continuidad hidráulica entre el suelo y la piedra porosa sin alterar las condiciones del suelo parcialmente saturado. Para garantizar que la medida de la succión se realizaba a un contenido de humedad constante (o grado de saturación), la muestra se recubría rápidamente con papel vinilpel y se ponía un poco de peso (500g) sobre el tensiómetro para que se mantuvieran en contacto las superficies. Al mismo tiempo que se terminaba de cubrir la muestra con el papel vinilpel se ponía en marcha la adquisición de datos en el tiempo. El tiempo necesario para alcanzar el equilibrio en el valor de la succión era variable en función del grado de saturación de la muestra pero, nunca superior a 2 horas. Para tiempos superiores a 2 horas, la gráfica tendía a convertirse en una recta de pendiente constante, evidenciando una pérdida constante del contenido de agua. Una vez se estabilizaba la medida de la succión por un periodo de tiempo variable entre 3 y 5 minutos, este valor de succión se tomaba por bueno, es decir, como el valor de succión correspondiente al contenido de humedad de la muestra. Para determinar el contenido de humedad, se cortaba superficialmente la cara sobre la que se había puesto el tensiómetro y aplicado el slurry con el fin de eliminar la zona de influencia de aplicación del mismo. El contenido de humedad se determinaba al finalizar el ensayo. El procedimiento seguido en este estudio para la medida de la succión con el tensiómetro, no permitió utilizar una misma probeta para determinar diferentes valores de la succión a diferentes contenidos de humedad, es decir, cada medida de la succión necesitó una probeta independiente. Con el tensiómetro se realizaron diferentes medidas de succión sobre muestras inalteradas y compactadas estáticamente en el laboratorio. Con la muestra inalterada S(4.3-4.9m) se prepararon pequeños bloques de 30cm³, que se sometieron a un proceso de humedecimiento o secado (variación del contenido de humedad) a partir del contenido de agua inicial de la muestra. El humedecimiento se realizó aplicando agua directamente sobre los boques, mientras que el secado se realizó al aire en un medio con humedad relativa controlada y constante de 40%, durante periodos de tiempo variables. Los bloques se dejaron en equilibrio por un periodo de 7 días en el medio con humedad relativa controlada, recubiertos con papel vinilpel y guardados en frascos herméticos, antes de realizar la lectura con el tensiómetro. Las muestras CE d=1.4Mg/m³ y CE d=1.7Mg/m³ se compactaron estáticamente en pastillas de 40cm³ dentro de un anillo con dimensiones de 50mm de diámetro y 20mm de altura. El contenido de humedad en el que se deseaba medir el valor de la succión se fijaba con anterioridad a la compactación. La medida de la succión se realizaba inmediatamente después de terminado el proceso de compactación.


41

3.3.4.2 Psicrómetro de punto de rocío

Para complementar la curva de retención del limo A-28 en el rango de las succiones por encima de 1.5MPa, se realizaron medidas de succión con el psicrómetro de punto de rocío WP4 sobre la muestra inalterada Blq1. Antes de realizar la medida de la succión con el WP4, es necesario realizar un ajuste (una vez al día) del valor del offset del equipo, al valor predeterminado en la calibración inicial (valor del intercepto). Este procedimiento es necesario para trabajar en el rango de baja succión del equipo (entre 1 y 4MPa aproximadamente). Para realizar la medida de la succión de la muestra, primero se debe colocar la muestras dentro del equipo (en su correspondiente porta muestras), cerrar la cámara de medida y esperar a que se realice el equilibrado de la temperatura entre la cámara y la muestra (posición open/load), en la pantalla la lectura, el valor Ts-Tb debe encontrarse entre -1 y 0 para poder comenzar, lo cual puede tardar unos pocos minutos (<5). Posteriormente se gira el botón a la posición de inicio de lecturas (read) y se espera a que el equipo realice la medida de la succión. Una luz verde parpadeante (LED) nos indica que la medida ha terminado. La muestra utilizada es una única pastilla de 8cm³, que se somete a un proceso (trayectoria) de humedecimiento y/o secado (variación del contenido de humedad), a partir del contenido de agua inicial de la muestra. El humedecimiento se realizó aplicando una pequeña gota de agua con una jeringa directamente sobre la pastilla, mientras que el secado se realizó al aire en un medio con humedad relativa controlada y constante de 40%. La muestra se dejaba en equilibrio por un periodo de 24 horas dentro del porta muestra (cerrado herméticamente), en el medio con humedad relativa controlada (constante), antes de realizar la lectura con el WP4. El contenido de humedad se determinaba a parir de la pérdida o ganancia de peso de la muestra (en este caso sólo se pierde agua ya que los sólidos se mantienen constantes durante el ensayo) entre dos lecturas (24 horas).

3.3.5 Ensayo de permeabilidad saturada

El ensayo de permeabilidad permite medir la velocidad con la que se mueve el agua a través de los poros del suelo, midiendo el volumen de agua por unidad de tiempo (caudal) que atraviesa la probeta de suelo. En este caso, la medida de la permeabilidad se realizó bajo condiciones estacionarias de flujo y de gradiente hidráulico controlado. La permeabilidad saturada al agua se determinó en la dirección vertical, y para ello se utilizó el equipo triaxial automático GDS Instruments Ltd. Los ensayos se realizaron sobre probetas talladas a partir de las muestras inalteradas Blq1 y S(4.3-4.9m), con el fin de comparar los resultados entre los tipos de muestras. La probeta se mantuvo confinada mediante una presión de cámara σ3, para garantizar que el agua no circulara entre la membrana y la probeta. El extremo inferior de la probeta se


42

conectó a un pistón automático (control de presión con una resolución de 1kPa y control del volumen con una resolución de 0.5mm3/paso), que mantiene una presión de cola uw constante. Luego se incrementó la presión de cola uw hasta que lograra estabilizarse en el valor predeterminado. El incremento de las presiones de cámara y de cola se realizó en rampa hasta que alcanzaran los valores de estabilización deseados, controlando que la diferencia de presiones nunca fuera superior a 20kPa (σ3-uw20kPa). El extremo superior se mantuvo a presión atmosférica, asegurando el avance del frente de hidratación desde la base y la expulsión del aire por el extremo superior. Se registró continuamente el volumen de agua que entró en la muestra. El flujo de agua en la probeta se dejó equilibrar por un periodo de tiempo mínimo de 1 día, a la tensión de confinamiento isótropa aplicada y bajo caudal constante, antes de interpretar los datos de flujo de agua. La permeabilidad saturada se determinó bajo condiciones estacionarias de gradiente controlado.

3.3.6 Ensayo triaxial

El ensayo triaxial permite la determinación de las propiedades de deformación y resistencia del suelo en función de las tensiones medias efectivas. Los ensayos triaxiales realizados fueron del tipo CIU , es decir, con una etapa inicial de consolidación (C) isótropa (I) y otra trayectoria de compresión axial (etapa de rotura) en condiciones no drenadas con medida de la presión de poros ( U ). El ensayo tiene como objetivo específico, la determinación de la resistencia drenada (parámetros resistentes: cohesión y ángulo de fricción: c' y ') y no drenada (Cu), bajo condiciones de compresión axial, midiendo la evolución de la presión intersticial a partir de las condiciones de tensiones obtenidas tras la etapa de consolidación. También permite determinar cambios volumétricos ocurridos en una etapa de consolidación isótropa en condiciones drenadas y módulos de rigidez en una etapa de compresión axial con medida de la presión intersticial. En los ensayos triaxiales se siguieron dos trayectorias de tensiones, las cuales se representa en términos de la tensión desviadora q en función de la tensión media total p, donde p'=p-u, p=((σ1+2σ3)/3) y q=σ1-σ3, siendo p' la tensión media efectiva, σ1 la tensión axial, σ3 la tensión radial (confinamiento) y u la presión de poros. Los ensayos se realizaron sobre probetas talladas de la muestra inalterada S(4.3-4.9m), con dimensiones aproximadas, de 38mm de diámetro y 76mm de altura. El procedimiento experimental seguido cumplió con los procedimientos establecidos en las normas ASTM D4767-88 y UNE 103402-98. Previamente al inicio de las trayectorias, las probetas fueron saturadas mediante un flujo de agua, según el procedimiento descrito en al apartado 3.3.5 (Ensayo de permeabilidad saturada). Al finalizar la medida de la permeabilidad, se cerró el extremo superior que se encontraba abierto a presión atmosférica y se dejó estabilizar la presión de poros (medida con el transductor de presión externo conectado al cabezal superior) al valor de la presión de cola preestablecido. A partir de ese momento (tensiones de confinamiento σ3 y de cola uw alcanzadas durante la etapa de saturación), se realizó una rampa de presiones hasta alcanzar una tensión de confinamiento σ3=510kPa y una tensión de cola uw=500kPa, obteniendo una tensión media efectiva isótropa p'=10kPa, el cual representa el punto de partida de las trayectorias de tensiones. Durante la aplicación de la rampa de presiones, se


43

controló en todo momento que los excesos de presión intersticial no fueran superiores a 20kPa (diferencia entre la tensión de cola aplicada y la presión de poros medida con el transductor). La trayectoria de tensiones 1 se inició con una etapa de consolidación isótropa en rampa durante un periodo de tiempo de 24 horas, partiendo de la tensión media efectiva de 10kPa hasta alcanzar la tensión media efectiva deseada de 60kPa (p'0=1060kPa). La tensión de cola se mantuvo constante en uw=500kPa durante la consolidación. La rotura no drenada en compresión axial con medida de la presión de poros se dividió en tres etapas: carga, descarga y recarga. En la primera etapa (carga), se impuso una trayectoria de deformación controlada a una velocidad de 0.5mm/min hasta alcanzar una deformación axial del 5%. En la segunda etapa (descarga), se impuso una trayectoria de tensión controlada hasta regresar a una tensión desviadora de 10kPa en un tiempo de 5 minutos. En la tercera etapa (recarga), se impuso una trayectoria de deformación controlada a una velocidad de 0.5mm/min hasta completar el 25% de la deformación axial. En la Figura 3.11 se muestra la trayectoria de tensiones 1 seguida en el ensayo triaxial.

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tensión media, p (kPa)

0

50

100

150

200

250

Te

nsi

ón

de

svia

do

ra,

q (

kPa

)

S(4.3-4.9m)Cons. isótropa

Carga

Descarga

Recarga

p =560kPauw=500kPa

p' =60kPa

Figura 3.11. Trayectoria de tensiones 1 seguida en el ensayo triaxial en condiciones saturadas (p'0=1060kPa). Evolución de la tensión desviadora en función de la tensión

media total.

La fase de consolidación isótropa de la trayectoria de tensiones 2, se dividió en tres etapas de carga, completadas en 3 días. En la primera etapa se impuso una trayectoria de carga isótropa en rampa hasta alcanzar una tensión media efectiva de 120kPa. En la segunda


44

etapa se impuso una trayectoria de descarga isótropa en rampa hasta regresar a la tensión media efectiva de 30kPa. En la tercera etapa se impuso una trayectoria de recarga isótropa hasta alcanzar la tensión media efectiva deseada de 150kPa (p'0=10150kPa). La tensión de cola se mantuvo constante en uw=500kPa durante la consolidación. La etapa de rotura no drenada en compresión axial con medida de la presión de poros seguida, fue la misma que en la trayectoria de tensiones 1. En la Figura 3.12 se muestra la trayectoria de tensiones 2 seguida en el ensayo triaxial.

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tensión media, p (kPa)

0

50

100

150

200

250

Te

nsi

ón

de

svia

do

ra,

q (

kPa

)

S(4.3-4.9m)Cons. isótropa

Carga

Descarga

Recarga

p =650kPauw=500kPa

p' =150kPa

Figura 3.12. Trayectoria de tensiones 2 seguida en el ensayo triaxial en condiciones saturadas (p'0=10150kPa). Evolución de la tensión desviadora en función de la tensión

media total.

Durante la etapa de consolidación isótropa se midió el volumen de agua que salió de la probeta (el cual coincide con el cambio volumétrico de la muestra) mediante el controlador de presión y volumen. En la etapa de rotura (compresión axial) se midieron la deformación axial con un transductor instalado en el motor paso a paso, la fuerza aplicada por dicha deformación axial con la célula de carga y la presión intersticial con el transductor de presión externo.

3.3.7 Ensayo edométrico

El ensayo edométrico permite determinar los parámetros de compresibilidad de un suelo a lo largo de trayectorias de carga-descarga bajo condiciones de desplazamiento lateral nulo


45

(condición edométrica). También permite determinar la deformación vertical de un suelo parcialmente saturado (que se encuentra también en condición edométrica), producida por una saturación, cuando el suelo se encuentra bajo una carga constante (fenómeno de colapso). Los ensayos edométricos se realizaron sobre la muestra inalterada Blq1. Para determinar la compresibilidad y colapsabilidad bajo condiciones edométricas, el procedimiento experimental seguido cumplió con los criterios establecidos en las normas ASTM D2435-90 y UNE 103-405/94. Las fases del ensayo se resumen a continuación: Al comienzo las muestras se sometieron a un proceso de carga inicial, a una tensión vertical de 10kPa. Luego se realizaron las etapas de carga hasta alcanzar el valor de la tensión vertical de saturación deseado (inundación) para medir la colapsabilidad del material. Posteriormente se terminaron las etapas de carga y descarga bajo condición saturada. Las tensiones de carga aplicadas fueron 25, 50, 100, 200, 300, 400, 600 y 800kPa y las de descargas de 400 y 10kPa. Las etapas de carga antes de la saturación, se mantuvieron por un periodo de tiempo en que se consideraba que la consolidación primaria había terminado. El periodo de tiempo de aplicación de las etapas de carga y descarga restantes, en condición saturada, fue de 24 horas.

3.3.8 Ensayo edométrico con control de succión

La realización de ensayos edométricos con control de succión permiten estudiar el acoplamiento hidro-mecánico de un suelo. Este ensayo permite determinar los parámetros de compresibilidad de un suelo a lo largo de trayectorias de carga-descarga (variación de la tensión neta vertical) y de humedecimiento-secado (cambio de succión), bajo condiciones edométricas (desplazamiento lateral nulo). El análisis del acoplamiento hidro-mecánico se enfocó, principalmente, mediante el estudio del comportamiento volumétrico del limo A-28 en estado no saturado, bajo la influencia de cambios de succión. En el presente estudio, se siguió una trayectoria de succión variable bajo carga constante, es decir, controlando la succión aplicada a partir del cambio de la tensión de agua sin variación de la tensión neta vertical aplicada a la muestra. El programa experimental consistió en dos ensayos edométricos de succión controlada, los cuales se identifican con la nomenclatura ESC-1 y ESC-2 (ESC se refiere a Edómetro de Succión Controlada y el número se refiere a la probeta). Dichos ensayos se realizaron sobre probetas compactadas estáticamente (muestra CE d=1.4Mg/m³), con densidad seca d=1.4Mg/m³ y contenido de humedad w=17%. Los ensayos se realizaron siguiendo la misma trayectoria de tensiones, con la finalidad de observar la repetibilidad de los resultados obtenidos. En la Figura 3.13 se muestra la trayectoria de tensiones seguida en los ensayos realizados. Una vez realizadas las operaciones de preparación y montaje del equipo, se comenzó a aplicar la carga neta vertical incrementando con etapas entre 10 y 20kPa de diferencia entre la tensión vertical v y la tensión de aire ua (v-ua), hasta alcanzar los valores en la tensión vertical v=120kPa y en la tensión de aire ua=100kPa, obteniendo una tensión neta vertical v-ua=20kPa (punto A), con la que se garantizaba un buen ajuste de los componentes del edómetro y el contacto entre la muestra y el cabezal; este procedimiento se realizó bajo condiciones no drenadas. Luego los ensayos se desarrollaron, primero en


46

una etapa de carga vertical (trayectoria AB), incrementando la tensión neta hasta alcanzar v-ua=100kPa (sólo se incrementó el valor de la tensión vertical v), pasando por escalones intermedios de 40, 60 y 80kPa de tensión neta vertical; una vez alcanzado el valor de la carga deseado (punto B), se realiza la trayectoria de cambio de succión bajo tensión neta constante con humedecimiento pasando por los escalones de cambio de succión (ua-uw) de 50, 36, 23 y 10kPa (trayectoria BC), con secado pasando por los escalones de cambio de succión de 10 a 36kPa (trayectoria CD) y de nuevo un humedecimiento hasta la saturación pasando por los escalones de cambio de succión de 36, 10 y saturación (trayectoria DE). Los cambios de succión se realizaron manteniendo la tensión de aire constante (ua=100kPa, en la parte superior de la probeta), variando y controlando la tensión de agua ua que actúa en la parte inferior de la probeta (pasando a través de la piedra AVEA de 100kPa). La tensión de agua se aplicó de forma instantánea (el controlador de presión y volumen estaba previamente preparado a la tensión de agua deseada) y se mantuvo durante el tiempo de equilibrado en cada escalón, registrando los cambios en el volumen de agua (entrada o salida de la muestra) para relacionarlos con los cambios del contenido de humedad. En la etapa de carga vertical (tensión neta), los tiempos de equilibrado de la deformación vertical fueron cortos, debido a que la estabilización era bastante rápida. En las etapas de cambio de succión bajo carga constante, los tiempos de equilibrado de la deformación vertical y del cambio del volumen de agua se prolongaron por un mínimo de 24 horas. Con la finalidad de humedecer el aire que era aplicado como tensión de aire ua, antes que éste entrara en la célula edométrica y se pusiera en contacto con la probeta, se hacía circular por un recipiente hermético con agua, evitando así que se secara la muestra superficialmente y fuera necesario un mayor contenido de volumen de agua, que no es el real, así como un periodo de tiempo más largo en el equilibrio de la succión aplicada.


47

10 10020 50 200

Tensión neta vertical, (v-ua) [kPa]

1

10

100

2

5

20

50

Su

cció

n m

atr

icia

l, (u

a-u

w)

[kP

a]

A B

C

D

E

Figura 3.13. Trayectoria de tensiones seguida en los ensayos edométricos con control de succión ESC-1 y ESC-2.

49

Capítulo 4

RESULTADOS EXPERIMENTALES. INTERPRETACIÓN

En este capítulo se presentan los resultados experimentales del trabajo realizado en el Laboratorio de Geotecnia de la UPC, así como algunos resultados obtenidos por el LCPC, utilizando estos últimos como referencia de comparación.

4.1 CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

Con el fin de caracterizar el material A-28 desde el punto de vista geotécnico, se realizaron diversos ensayos de laboratorio para conocer y clasificar las propiedades del suelo (material) utilizado en este estudio. Dentro de la clasificación geotécnica se realizaron los siguientes ensayos: Distribución del tamaño de partículas (granulometría). Densidad específica de sólidos (Gravedad específica de partículas). Límites de consistencia (Atterberg). Ensayos de compactación. Determinación del tamaño de poros característico (MIP y ESEM).

4.1.1 Ensayos de clasificación y compactación

En la Figura 4.1 se presentan las curvas granulométricas (incluida la sedimentación) del material A-28, realizadas por el LCPC y en el Laboratorio de Geotecnia. El material utilizado por el LCPC en la granulometría fue tomado durante el extendido de las capas antes de la compactación del terraplén, mientras que el material utilizado en el Laboratorio de Geotecnia, fue el recuperado de las muestras bloque (Blq) y bolsa. En general, se observa una buena similitud entre las curvas granulométricas realizadas. En la Figura 4.2 se muestra la carta de plasticidad y la clasificación por el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) de la fracción fina del material A-28. De acuerdo a los resultados obtenidos en la granulometría y en los límites de consistencia, podemos clasificar el material A-28, según el SUCS, como un ML: Limo de baja plasticidad. El resultado obtenido en la determinación de la densidad de las partículas sólidas fue de s=2.66Mg/m³, el cual es consistente con el valor obtenido por el LCPC (s=2.68Mg/m³), y típico de encontrar el la literatura. La Tabla 4.1 resume los valores obtenidos de la densidad de partículas sólidas s, del límite líquido wL, del límite plástico wP, del índice de plasticidad IP, de la distribución granulométrica, así como de la clasificación del SUCS.


50

0.0010.010.11100.0030.030.3330

Tamaño de partículas (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100%

qu

e p

asa

LCPC

UPC, Blq1

UPC, bolsa

#200#100#40#16#10#41/2"1"

Serie ASTM:

Figura 4.1. Curvas granulométricas. Distribución del tamaño de partículas. Material A-28.

0 10 20 30 40 50 60Límite líquido, w

L (%)

0

5

10

15

20

25

30

Índi

ce d

e p

last

icid

ad,

IP

(%

)

LCPC

UPC, Blq1

UPC, Bolsa

CL

CL

MLML & OL MH & OH

CL - ML

Líne

a A:

IP =

0.73

* (w

L -

20)

CH

Figura 4.2. Carta de plasticidad. Clasificación SUSC de la fracción fina de las muestras ensayadas. Material A-28.

Capítulo 4. Resultados Experimentales. Interpretación.

51

Tabla 4.1. Propiedades de clasificación geotécnica. Material A-28.

Límites de Atterberg Distribución granulométrica

s wL wP IP % que pasa ( abertura en mm) Muestra

(Mg/m³) (%) (%) (%) 4.75 0.425 0.075 0.002

Clasificación SUCS

LCPC 2.68 32.0 19.9 12.1 99.7 98.5 97.1 24.4 ML

UPC, Blq1 2.66 33.7 19.8 13.9 99.1 97.5 94.2 27.2 ML

UPC, Bolsa

2.66 30.9 19.5 11.4 99.4 97.4 93.7 30.0 ML

En la Figura 4.3 se presentan los valores de densidad seca en función del contenido de humedad de las muestras inalteradas (Bloque y Sondeo), determinados en el laboratorio, así como el grado de saturación correspondiente. Se puede atribuir el menor contenido de humedad inicial de las muestras bloque (Blq1 y Blq3), a que éstas fueron extraídas superficialmente del talud del terraplén, y se encontraban expuestas a una mayor evaporación superficial del contenido de agua presente en el suelo, respecto a la muestra de sondeo (S(4.3-4.9m)) que se extrajo en el eje longitudinal del terraplén (ver Figura 2.21 Sección transversal del terraplén).

7 10 13 16 19 22Humedad, w (%)

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

De

nsid

ad s

eca

, d

(Mg

/m3 )

Blq1 (A-28)

Blq2 (SNEC)

Blq3 (A-28)

S(4.3-4.9m) (A-28)

Sr =0.6

Sr =0.8

Sr =1

Figura 4.3. Densidad seca y grado de saturación de las muestras Bloque y Sondeo. Materiales A-28 y SNEC.


52

La Figura 4.4 muestra los resultados obtenidos en los diferentes ensayos de compactación dinámica y estática, realizados sobre el limo A-28 en el Laboratorio de la UPC sobre el material suelto (bolsa). También se incluyen los valores obtenidos de humedad y densidad seca para las muestras Bloque (Blq1 y Blq3) y Sondeo (S(4.3-4.9m)), así como la curva del ensayo Proctor Normal realizado por el LCPC. Los niveles de energía de compactación utilizados se enuncian a continuación: Proctor: Normal (PN), Doble Energía (2PN) y Modificado (PM). Compactación estática bajo tensión controlada de σ'v=500 y 600kPa, en célula

edométrica convencional. Compactación estática bajo desplazamiento controlado. Al momento de realizar estas

compactaciones, no fue posible medir la tensión debido a problemas con la célula de carga.

4 8 12 16 20 24Humedad, w (%)

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

De

nsid

ad s

eca,

d

(Mg/

m3)

PN, LCPC

Blq1

Blq3

PN

2PN

PM

Sr =0.8Sr =1

S (4.3 - 4.9m)

CE, 'v =500kPa

CE, 'v =600kPa

CE, d=1.4Mg/m3 w0=17%

CE, d=1.7Mg/m3 w0=19.4%

Figura 4.4. Curvas de compactación. Ensayos para diferentes niveles de energía de compactación dinámica y estática. Material A-28.


53

En la Tabla 4.2 se resumen los valores del contenido de humedad, densidad seca e índice de poros determinados para los diferentes tipos de muestras ensayadas. Para las muestras inalteradas (bloque y sondeo), estos datos se refieren a los valores promedio determinados a partir de diferentes probetas. Cuando una muestra se refiere a la compactación dinámica (ensayo Proctor), el contenido de humedad es el óptimo (wopt) y la densidad seca es la máxima (d máx) alcanzada durante el ensayo.

Tabla 4.2. Resumen de valores promedio de contenido de humedad, densidad seca e índice de poros, obtenidos para las diferentes muestras ensayadas. Material A-28.

Muestra w (%) d (Mg/m³) e

PN (LCPC) 14.5 1.85 0.438 Blq1 17.3 1.74 0.529 Blq3 18.1 1.69 0.574

S(4.3-4.9m) 19.4 1.66 0.602 CE d=1.4Mg/m³ 17.0 1.40 0.900 CE d=1.7Mg/m³ 19.4 1.70 0.565

PN 16.2 1.79 0.486 2PN 13.2 1.83 0.454 PM 11.3 2.03 0.310

CE σ'v=500kPa 21.1 1.71 0.556 CE σ'v=600kPa 18.0 1.62 0.642

4.1.2 Porosimetría de mercurio MIP

Con el fin de estudiar la microestructura del terraplén, se realizaron ensayos de porosimetría de intrusión de mercurio sobre las muestras inalteradas (bloque y sondeo) y sobre las muestras preparadas en el laboratorio a diferentes niveles de energía de compactación. Para determinar el estado final de la microestructura en el limo A-28, luego que éste experimentara los cambios a los que estuvo sometido durante las etapas de humedecimiento y secado en campo, se realizaron porosimetrías de mercurio sobre la muestra bloque y el testigo de sondeo. De la misma manera pero, con el fin de reproducir las condiciones en el estado inicial de la microestructura (antes de la primera inundación), se realizaron porosimetrías de mercurio sobre las muestras compactadas estática y dinámicamente en el laboratorio, para diferentes niveles de energía de compactación. La presión necesaria para lograr que el mercurio se introduzca en los poros de la muestra es inversamente proporcional al tamaño de los mismos. El método se basa en una la ley que relaciona la penetración de un líquido en pequeños poros. Esta ley, en el caso que un líquido no ‘moja’ al suelo, como el mercurio, se expresa con la ecuación de Washburn:

Hg nw

p Hg v Hg

4 cos; p= p p

p (4.1)


54

donde p representa el diámetro del poro, Hg la tensión superficial de mercurio, nw el ángulo de contacto entre el mercurio y el poro del suelo (ángulo de no mojado), p la presión absoluta aplicada, pHg la presión del mercurio líquido y pv Hg la presión de vapor del mercurio. Para la interpretación del ensayo, se asume que los poros del material son de forma cilíndrica y de distinto tamaño (diámetro). La ecuación resulta de plantear el equilibrio de fuerzas sobre la superficie de contacto entre el aire y el mercurio presentes en un poro cilíndrico durante la etapa de intrusión. En la interpretación de los resultados se utilizó un ángulo de contacto de nw=147. En la literatura encontramos valores que varían típicamente entre 139 y 147. Para la tensión superficial se asumió un valor de Hg=0.484N/m (a 25C). Como resultado del ensayo, se obtiene una relación entre la presión de mercurio aplicada y el volumen de mercurio intruído en la muestra, pudiéndose relacionar la presión de mercurio en un diámetro de poro mediante la ecuación (4.1), la cual se representa en función del volumen de mercurio intruído por unidad de masa de la muestra. A partir de ésta relación, se pueden comenzar a obtener los diferentes parámetros como el índice de poros intruído eint con la relación:

int int se V * G (4.2) donde Vint es el volumen de mercurio intruído en la muestra y Gs es la gravedad específica de las partículas sólidas del suelo. Un análisis más detallado, como el incremental, permite obtener la función de densidad de distribución de poros (PSD, Pore Size Density Function) según su tamaño, pudiéndose identificar (o agrupar) los tamaños de poros característicos. La función de densidad de distribución de poros se obtiene mediante la expresión:

PSD

lognm

p

e (4.3)

donde enm representa el índice de poros no mojado (enm=VintGs). En la Figura 4.5 y Figura 4.6 se muestran los resultados de las porosimetrías realizadas a los diferentes tipos de muestras. En ellas también se compara el índice de poros total y el índice de poros intruído de cada muestra, así como se indica el tamaño del poro característico. En las Figuras se aprecia que para todas las muestras ensayadas resulta una distribución mono-modal de la función de densidad de distribución de poros (PSD) [enm/log(p)], es decir, que predomina un tamaño del poro característico dentro del conjunto de la masa de suelo. El grado de saturación intruído (no mojado) alcanzado con el mercurio se encuentra entre el 61 y el 86% para las muestras ensayadas, los cuales se consideran valores intermedios de saturación en el ensayo de intrusión de mercurio. El rango de poros que se logró estudiar para el limo A-28, se encuentra entre los 7nm y las 500m, aproximadamente. Los poros con un tamaño superior a las 500m se consideran que son intruídos (llenados) en la etapa inicial de llenado del penetrómetro, mientras que los de tamaño inferior a los 7nm, se consideran dentro del rango de los poros no conectados, es decir, no intruídos.


55

La Tabla 4.3 resume los valores del índice de poros total etot, del índice de poros intruído eint, del tamaño del poro característico p y el grado de saturación intruído Srint, de las muestras ensayadas. La Figura 4.7 muestra, a modo de resumen comparativo, los diferentes resultados obtenidos en los ensayos de porosimetría de mercurio.

1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x1063x101 3x102 3x103 3x104 3x105

Diámetro del poro, p (nm)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

e

/ lo

g( p

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Índ

ice

de

po

ros,

e

Blq 1

Blq 3

CE d=1.7Mg/m3

S (4.3-4.9m)

Blq1, etotal =0.545

Blq1, eint =0.454

Blq1, p =3.5m

Blq3, etotal =0.611

Blq3, eint =0.375

Blq3, p =2.3m

CE, etotal =0.565

CE, eint =0.377

CE,p =2.3m

S, etotal= 0.602

S, eint= 0.426

S, p =2.2m

Figura 4.5. Porosimetrías de mercurio. Evolución del índice de poros y de la función de densidad de distribución con el diámetro del poro intruído, para muestras inalteradas y

compactadas estáticamente. Material A-28.


56

1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x1063x101 3x102 3x103 3x104 3x105


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

e

/ lo

g( p

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Ín

dic

e d

e p

oro

s, e

PN

2PN

PM

PN, etotal =0.482

PN, eint =0.412

PN, p =2m

2PN, etotal =0.454

2PN, eint =0.313

2PN, p =1.1m

PM, etotal =0.319

PM, eint =0.273

PM, p =720nm

Figura 4.6. Porosimetrías de mercurio. Evolución del índice de poros y de la función de densidad de distribución con el diámetro del poro intruído, para las muestras compactadas

dinámicamente. Material A-28.

En la Figura 4.7 se aprecia que al sobrepasar la densidad seca de s≈1.7Mg/m³ (muestras Blq1 y CE d=1.7Mg/m³) con el aumento de la energía de compactación en los ensayos dinámicos Proctor Normal (PN), Doble Energía (2PN) y Modificado (PM), alcanzándose densidades secas s≥1.8Mg/m³, esta densificación (compactación) hace desaparecer los poros de mayor tamaño (del orden de 10m o superiores).


57

1x101 1x102 1x103 1x104 1x105 1x1063x101 3x102 3x103 3x104 3x105


0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

e

/ lo

g( p

)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Índ

ice

de

po

ros,

e

Blq 1

Blq 3

CE d=1.7Mg/m3

S (4.3-4.9m)

PN

2PN

PM

Figura 4.7. Comparación de las porosimetrías de mercurio realizadas sobre las muestras inalteradas y compactadas. Material A-28.


58

Tabla 4.3. Resumen del índices de poros total e intruído, tamaño del poro característico y grado de saturación intruído, determinados a partir de los ensayos de porosimetría.

Muestra etot eint p (m) Srint

Blq1 0.545 0.454 3.5 0.83 Blq3 0.611 0.375 2.3 0.61

S(4.3-4.9m) 0.602 0.426 2.2 0.71 CE, d=1.7Mg/m³ 0.565 0.377 2.3 0.67

PN 0.482 0.412 2.0 0.85 2PN 0.454 0.313 1.1 0.69 PM 0.319 0.273 0.72 0.86

4.1.3 Fotografías ESEM

Con el fin de complementar, de observar la microestructura del terraplén y poder comprobar los datos obtenidos con la porosimetría de mercurio, se tomaron fotografías con el ESEM. En la Figura 4.8 y Figura 4.9 se muestran las imágenes tomadas con el ESEM, con un acercamiento de 350 y 1000 aumentos, a la muestra Blq1 con densidad seca d=1.69Mg/m³. En dichas Figuras se pueden observar conjuntos de poros que varían, aproximadamente, entre 4 y 20m. Los resultados de tamaños de poros más pequeños (4m), son levemente superiores, aunque consistentes, con los obtenidos en las porosimetrías de mercurio realizadas sobre la misma muestra, con densidad seca similar.

350x 1000x350x 1000x

Figura 4.8. Fotografía ESEM. Vista de la estructura interna de la muestra Blq1 de densidad seca d=1.69Mg/m³. Material A-28.


59

350x 1000x350x 1000x

Figura 4.9. Fotografía ESEM. Vista de la estructura interna de la muestra Blq1 de densidad seca d=1.69Mg/m³. Material A-28.

4.2 CURVA DE RETENCIÓN

En la determinación de la curva de retención del limo A-28, se utilizaron diferentes técnicas experimentales para medir la succión. A continuación se describen los resultados obtenidos con cada técnica.

4.2.1 Psicrómetro de punto de rocío WP4

La Figura 4.10 presenta los resultados experimentales de la curva de retención, obtenidos con el psicrómetro WP4 en el rango de altas succiones (>1.5MPa) para el limo A-28. En ella se observa la evolución de la succión total en función del contenido de humedad de la muestra Blq1, sometida a grandes cambios de humedad siguiendo trayectorias de humedecimiento y secado. Debido al fenómeno de la histéresis, apreciamos que para un mismo valor del contenido de humedad se obtienen valores diferentes de succión para el mismo tipo de suelo.


60

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-1

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

1x105

Su

cció

n,

s (k

Pa

)WP4

Secado, d=1.69Mg/m³, Blq1

Mojado, d=1.69Mg/m³, Blq1

Figura 4.10. Curva de retención en trayectorias de humedecimiento y secado, determinada con el psicrómetro de punto de rocío WP4, sobre la muestra Blq1. Material A-28.

4.2.2 Tensiómetro

En la Figura 4.11 se presentan los resultados experimentales para la determinación de la curva de retención, obtenidos con el tensiómetro, en el rango de bajas succiones (<1.5MPa) del limo A-28. En ella se observa la evolución de la succión total en función del contenido de humedad, sometiendo las muestras a pequeños cambios de humedad. Para la muestra S(4.3-4.9m) se siguió una trayectoria de secado, mientras que para las muestras CE d=1.4 Mg/m³ y CE d=1.7Mg/m³ se realizaron cambios del contenido de agua tanto en humedecimiento como en secado. Se puede observar que en este caso, se obtuvieron valores de la medida de la succión muy semejantes para las muestras S(4.3-4.9m) y CE d=1.4Mg/m³. Esto puede ser consecuencia a que un cambio en la densidad seca del suelo se ve reflejado, básicamente, en un cambio en los vacíos de los macroporos, teniendo esto poca influencia sobre la succión del suelo (Romero, 1999).


61

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-1

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

1x105S

ucc

ión

, s

(kP

a)

TensiómetroS (4.3-4.9m), d=1.66Mg/m³CE, d=1.4Mg/m3

CE, d=1.7Mg/m3

Figura 4.11. Curva de retención determinada con el tensiómetro, sobre las muestras S(4.3-4.9m), CE d=1.4Mg/m³ y CE d=1.7Mg/m³. Material A-28.

4.2.3 Retroanálisis de la porosimetría MIP

Para la determinación de la curva de retención a partir de los datos obtenidos de la porosimetría de mercurio (MIP), es necesario obtener los parámetros hidráulicos del suelo por retroanálisis. Para llegar a ello fue necesario utilizar diferentes correlaciones, descritas por Romero (1999). El contenido de humedad w del suelo puede ser obtenido como:

;s

s

eSr e G w w Sr

G (4.4)

donde Sr es el grado de saturación correspondiente al agua en el suelo; así el grado de saturación total (la unidad) de la muestra de suelo es el grado de saturación correspondiente al agua Sr más el grado de saturación no mojado Srnm correspondiente al mercurio.

0

1 ; nmnm nm

eSr Sr Sr

e (4.5)


62

Combinando las ecuaciones (4.4) y (4.5) podemos determinar el contenido de humedad w del suelo:

(1 )sat nm

s

ew Sr w Sr

G (4.6)

La succión matricial del suelo s=ua-uw se puede estimar a partir de la presión de equilibrado en la intrusión de mercurio durante el ensayote porosimetría, como sigue:

Hg

Hgp p

4 cos 4 cos cosp ; p s 0.196p

cos

nw w w

nws s (4.7)

donde σ es la tensión superficial del agua y cosθw=1 es el coeficiente de mojado para la interfase aire-agua. La Figura 4.12 muestra los resultados de la curva de retención derivados a partir del ensayo de porosimetría, realizaron sobre las muestras Blq1, Blq3, CE d=1.7Mg/m³, S(4.3-4.9m), PN, 2PN y PM del limo A-28. En ella se observa la evolución de la succión matricial en función del contenido de humedad, semejando una trayectoria de secado a partir de la humedad de saturación. Se aprecia claramente la influencia de la densidad seca, obtenida mediante los diferentes procedimientos de compactación, sobre el contenido de humedad de saturación de las muestras, en otras palabras, a mayor energía de compactación mayor grado de saturación alcanzado.

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-1

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

1x105

Su

cció

n,

s (k

Pa

)

MIPBlq1

Blq3

CE, d=1.7Mg/m3

S (4.3-4.9m)

PN

2PN

PM

Figura 4.12. Variación de la curva de retención determinada a partir del ensayo de porosimetría, sobre las muestras inalteradas y compactadas. Material A-28.


63

4.2.4 Edómetro con control de succión

La Figura 4.13 muestra los resultados de la curva de retención obtenidos a partir de los ensayos edométricos de succión controlada realizados sobre las muestras CE d=1.4Mg/m³ del limo A-28. Los ensayos se denominaron ESC-1 y ESC-2, donde ESC hace referencia a edómetro de succión controlada y el número 1 o 2 a la probeta. En ella se observa la evolución de la succión matricial (ua-uw) en función del contenido de humedad, obtenidos de los escalones de cambio de succión tanto en humedecimiento como en secado. En los escalones iniciales, se aprecia una diferencia de 3% en el contenido de humedad sobre los valores que tienen una misma succión aplicada (en el mismo escalón). Esto se puede atribuir a la histéresis y a la diferencia en el grado de saturación alcanzado durante el escalón inicial de equilibrado (σv-ua=100kPa, ua-uw=50kPa), que para la probeta ESC-1 fue de Sr=49.1% correspondiente a un contenido de humedad de w=16.3%; y para la probeta ESC-2 fue de Sr=40.9% correspondiente a un contenido de humedad de w=13.5%.

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-1

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

1x105

Suc

ción

ma

tric

ial,

(ua-

uw)

[kP

a]

Edómetro de Succión ControladaESC-1, d=1.4Mg/m3

ESC-2, d=1.4Mg/m3

Figura 4.13. Curva de retención obtenida a partir del ensayo edométrico con control succión, sobre probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.


64

4.2.5 Curva de Retención según diversos procedimientos

A continuación se presentan a modo de resumen los datos obtenidos, mediante los diversos procedimientos experimentales y por retroanálisis, de la medida de succión. Se muestra el ajuste realizado para la determinación de la curva de retención del limo A-28, en trayectoria de secado, para las densidades secas determinadas en las condiciones inicial y final, d=1.4Mg/m³ y d=1.7Mg/m³, respectivamente. Es importante señalar que de los resultados obtenidos por los diferentes procedimientos, se puede apreciar claramente que medir valores de succión inferiores a 10kPa resulta complicado mediante las técnicas utilizadas en este estudio. Esto hace que se tenga como resultado, una zona en la cual no se han podido determinar los valores de succión correspondientes al rango de humedades entre la humedad de saturación wsat del material y un contenido de humedad de w≈20%. En la Figura 4.14 y Figura 4.15 se presentan los resultados de medida de succión obtenidos experimentalmente con el psicrómetro de punto de rocío, con el tensiómetro y con el edómetro de succión controlada; así mismo se presentan los resultados del retroanálisis de la porosimetría de mercurio. De manera comparativa, se grafican los resultados obtenidos por el LCPC. En las gráficas se hace una selección de los resultados que más adecuan a las condiciones de estudio del material (densidad seca), donde se aprecia la influencia del tipo de muestra (inalterada o compactada) y de la técnica de medida. A partir de la dispersión de los datos experimentales obtenidos, se realizó un ajuste de los mismos con la idea de definir la curva de retención para las dos condiciones de densidad seca. El ajuste propuesto (una modificación de la ecuación de Van Genuchten) para las trayectorias de secado, se realizó mediante la expresión analítica propuesta por Romero & Vaunat (2000), según la siguiente expresión:

ln 11( ) ; ( ) 1

1 ( ) ln2

m

mcal sat n

ss

w w C s C ss

(4.8)

donde wsat es el contenido de humedad de saturación, s la succión, sm un parámetro que controla la forma de la curva en la zona de succiones elevadas, es un parámetro vinculado al valor de entrada de aire, y m y n son parámetros relacionados con la forma de la curva en la zona de succiones bajas. Para simplificar la determinación de los parámetros se asumió que la función C(s)=1.


65

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-1

1x100

1x101

1x102

1x103

1x104

1x105

Su

cció

n,

s (k

Pa

)MIPS(4.3-4.9m)

CE, d=1.7Mg/m3

Blq3, d=1.69Mg/m3

WP4TensiómetroSecado, d=1.69Mg/m3, Blq1d=1.45Mg/m3

d=1.85Mg/m3

LCPCS (4.3-4.9m), d=1.66Mg/m3

CE, d=1.4Mg/m3

CE, d=1.7Mg/m3

EDO. SUC. CONT.ESC-1, d=1.4Mg/m3

ESC-2, d=1.4Mg/m3

Figura 4.14. Resumen de la variación de la succión con el contenido de humedad. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a

diferentes densidades secas. Material A-28.

8 10 12 14 16 18 20Humedad, w (%)

1x101

1x102

1x103

Su

cció

n,

s (k

Pa

)

MIPS(4.3-4.9m)

CE, d=1.7Mg/m3

Blq3, d=1.69Mg/m3

Tensiómetro

d=1.45Mg/m3

d=1.85Mg/m3

LCPCS (4.3-4.9m), d=1.66Mg/m3

CE, d=1.4Mg/m3

CE, d=1.7Mg/m3


ESC-2, d=1.4Mg/m3

Figura 4.15. Ampliación de la zona central del resumen de la variación de la succión con el contenido de humedad. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras

inalteradas y compactadas a diferentes densidades secas. Material A-28.


66

En la Figura 4.16 se presentan los resultados de medida de succión seleccionados de los diferentes procedimientos para la densidad seca de d=1.4Mg/m³, realizados sobre las muestras CE d=1.4Mg/m³, CE d=1.4Mg/m³ ESC-1 y ESC-2. Se incluye el ajuste de la curva de retención utilizando la ecuación (4.8). En la figura se aprecia que para la condición inicial de construcción del terraplén, el valor de entrada de aire del material A-28 se encuentra por debajo de 10kPa. Igualmente, en la Figura 4.17 se presentan los resultados de medida de succión seleccionados para la densidad seca de d=1.7Mg/m³, correspondiente a la condición final de construcción del terraplén. La figura presenta los resultados obtenidos sobre las muestras CE d=1.7Mg/m³, S(4.3-4.9m) y Blq1. Se incluye el ajuste de la curva de retención utilizando la ecuación (4.8). En la figura se aprecia que para una densidad seca de d=1.7Mg/m³, el valor de entrada de aire se encuentra entorno a 30kPa. En la Tabla 4.4 se resumen los parámetros adoptados en el ajuste de la curva de retención del limo A-28, en trayectoria de secado para las condiciones inicial y final de construcción del terraplén, correspondientes a una densidad seca de d=1.4 y 1.7Mg/m³, respectivamente.

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-4

1x10-3

1x10-2

1x10-1

1x100

1x101

1x102

Su

cció

n,

s (M

Pa

)

Tensiómetro

d=1.45Mg/m3

LCPC

CE, d=1.4Mg/m3


ESC-2, d=1.4Mg/m3

?

Figura 4.16. Curva de retención. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a una densidad seca d=1.4Mg/m³. Material A-28.


67

0 5 10 15 20 25 30Humedad, w (%)

1x10-4

1x10-3

1x10-2

1x10-1

1x100

1x101

1x102S

ucc

ión

, s

(MP

a)

MIPS(4.3-4.9m)

WP4TensiómetroSecado, d=1.69Mg/m3, Blq1

d=1.85Mg/m3

LCPCS(4.3-4.9m), d=1.66Mg/m3

CE, d=1.7Mg/m3

Figura 4.17. Curva de retención. Datos obtenidos según diversos procedimientos sobre muestras inalteradas y compactadas a una densidad seca d=1.7Mg/m³. Material A-28.

Tabla 4.4. Resumen de parámetros utilizados en el ajuste de la curva de retención, en trayectoria de secado, según la expresión de Romero & Vaunat (2000).

Parámetro Condición de construcción (MPa−1) m n C(s)

Inicial d=1.4Mg/m³

1017.6 0.11 1.09 1

Final d=1.7Mg/m³

25.1 0.19 1.02 1


68

4.3 PERMEABILIDAD

4.3.1 Permeabilidad saturada

4.3.1.1 En cámara triaxial

La permeabilidad saturada se determinó bajo condiciones estacionarias de flujo y de gradiente hidráulico controlado. El coeficiente de permeabilidad saturada al agua kw se determinó mediante la expresión:

/ /; w

ww

V t A uk h z

h

(4.9)

donde V/t es el caudal registrado entre lecturas de tiempo a intervalos fijos, A el área transversal de la muestra, h el gradiente impuesto por la altura piezométrica, z la referencia de altura, uw la presión de agua (cola) y w el peso unitario del agua. En la Figura 4.18 se muestra la evolución temporal del volumen de agua infiltrado Vw a las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m) probetas M-1, M-2 y M-3, en la dirección vertical del flujo. En ella se indica la zona donde se determina la permeabilidad en cada probeta, y se observa que la pendiente del volumen de agua infiltrado por unidad de tiempo (caudal), se mantiene constante. Para la muestra Blq1 se aprecia un mayor volumen de agua infiltrado en un corto periodo de tiempo, debido al estado más seco del material, quizá influenciado por las condiciones metereológicas de su proximidad a la superficie del talud del terraplén (lugar de extracción). Para las probetas ensayadas de la muestra S(4.3-4.9m) se obtuvieron valores del volumen de agua infiltrado similares pero, en periodos de tiempo diferentes.


69

0x100 1x105 2x105 3x105 4x105

Tiempo, t (s)

0x100

1x105

2x105

3x105

4x105

5x105

6x105

7x105

Vo

lum

en

de

ag

ua

infil

tra

do

, V

w (

mm

3)

Ensayo de Permeabilidad al agua

Etapa donde se midióla permeabilidad, kw

Blq1'=20kPa

S(4.3-4.9m), M-2'=5kPa S(4.3-4.9m), M-1

'=5kPaS(4.3-4.9m), M-3

'=5kPa

Figura 4.18. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado en la dirección vertical de flujo, en condiciones estacionarias y de gradiente controlado. Ensayo de permeabilidad

sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m). Material A-28.

La Figura 4.19 presenta los valores de permeabilidad saturada al agua kw, en la dirección vertical de flujo, en función del índice de poros inicial e, de las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m). Dicha permeabilidad se determinó en condiciones saturadas y estacionarias de flujo. En la Tabla 4.5 se indican los coeficientes de permeabilidad saturada al agua kw en la dirección vertical, obtenidos experimentalmente en el Laboratorio, así como la tensión de confinamiento σ3 y la tensión de cola uw aplicadas durante los ensayos. También resume las principales propiedades gravimétricas y volumétricas de las probetas ensayadas. En dicha tabla, y h representan el diámetro y la altura de la probeta, respectivamente, w la humedad gravimétrica, d la densidad seca, e el índice de poros y Sr el grado de saturación. El subíndice ‘0’ se refiere a las condiciones iniciales.


70

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Índice de poros, e

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

3x10-9

3x10-8

3x10-7

3x10-6

3x10-5

3x10-4

Pe

rme

ab

ilid

ad

al a

gu

a,

k w (

m/s

)Ensayo de

Permeabilidad SaturadaBlq1, ('3=20kPa)

S(4.3-4.9m), ('3=5kPa)

kw (m

/s) = exp(15.1 * e) * 2

.8x10-12

Figura 4.19. Permeabilidad saturada al agua en función del índice de poros inicial, determinada en cámara triaxial sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m). Material A-28.

Tabla 4.5. Ensayos (coeficientes) de permeabilidad saturada al agua en la dirección vertical de flujo, realizados en cámara triaxial. Variables gravimétricas y volumétricas de las

probetas ensayadas. Material A-28.

h w0 d0 e0 Sr0 σ3 uw kw Muestra/Probeta

(mm) (%) (Mg/m³) (%) (kPa) (kPa) (m/s)

Blq1 38.2 38.5 13.3 1.75 0.519 68.2 100 80 2.3x10−8

S(4.3-4.9m)/M-1 37.0 76.0 17.5 1.74 0.525 88.7 20 15 1.3x10−8

S(4.3-4.9m)/M-2 38.4 76.0 16.9 1.61 0.654 68.6 20 10 7.9x10−8

S(4.3-4.9m)/M-3 37.5 76.0 18.6 1.68 0.579 85.3 20 15 6.6x10−9


71

4.3.1.2 Retroanálisis de la porosimetría MIP

Para la determinación de la permeabilidad saturada al agua kw a partir del ensayo de intrusión de mercurio (MIP), se realizó un retroanálisis de los datos de entrada/salida del volumen de mercurio aplicado a una presión específica. Para la determinación de la permeabilidad kw, Romero (1999) realizó una modificación de la ecuación obtenida por García-Bengoechea (1979). El coeficiente de permeabilidad saturada al agua kw, retroanalizado a partir del ensayo de intrusión de mercurio, se determinó mediante la expresión analítica:

1 1

22

0

2 2

( ) ( ) ;32 32

(( )/ 2) ( )

p m

im

i i i i i

mw w

pw p p p p w nsi

m

p ns p p ns nsi

gn gnk f d k Sr

Sr Sr Sr (4.10)

donde w es la densidad del agua a una temperatura específica, g es la aceleración de la gravedad, n es la porosidad del suelo, μ es el coeficiente de viscosidad absoluto del agua a una temperatura específica, p es el diámetro del poro y Srns es el grado de saturación no mojado. El término p m representa el diámetro del poro máximo (más grande). La permeabilidad es sensible al tamaño de los poros más grandes, según estas consideraciones. En la Figura 4.20 y en la Tabla 4.6 se muestran los valores de permeabilidad saturada al agua kw en función del índice de poros inicial e, determinados a partir del ensayo de porosimetría de mercurio, realizados sobre las muestras Blq1, Blq3, S(4.3-4.9m), CE d=1.7Mg/m³, PN, 2PN y PM. En la Tabla 4.6 también se resumen algunas de las propiedades índice de las probetas ensayadas.


72

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Índice de poros, e

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

3x10-9

3x10-8

3x10-7

3x10-6

3x10-5

3x10-4

Pe

rme

ab

ilid

ad

al a

gu

a,

k w (

m/s

)Permeabilidad Saturada

Retroanálisis MIPBlq 1 (MIP)

Blq 3 (MIP)

S (4.3-4.9) (MIP)

CE d=1.7Mg/m3 (MIP)

PN (MIP)

2PN (MIP)

PM (MIP)

Figura 4.20. Permeabilidad saturada al agua, determinada a partir del ensayo de porosimetría, sobre los diferentes tipos de muestras ensayadas. Material A-28.


73

Tabla 4.6. Coeficientes de permeabilidad saturada al agua, determinados a partir del ensayo de porosimetría de mercurio.

Muestra / Probeta w0 (%) d0 (Mg/m³) e0 kw (m/s) Blq1 / M-1 17.5 1.73 0.545 5.6x10−6 Blq1 / M-2 17.5 1.73 0.545 4.9x10−5 Blq3 / M-1 18.1 1.69 0.611 1.2x10−5 Blq3 / M-2 18.1 1.69 0.611 9.6x10−6

S(4.3-4.9m) / M-1 19.3 1.66 0.602 1.1x10−5 S(4.3-4.9m) / M-2 19.3 1.66 0.602 1.4x10−5

CE d=1.7Mg/m³ / M-1 18.7 1.69 0.565 8.6x10−5 CE d=1.7Mg/m³ / M-2 18.7 1.69 0.565 8.5x10−5

PN / M-1 16.2 1.79 0.482 1.3x10−5 PN / M-2 16.2 1.79 0.482 7.8x10−6 2PN / M-1 15.0 1.83 0.454 2.4x10−6 2PN / M-2 15.0 1.83 0.454 3.8x10−6 PM / M-1 11.5 2.02 0.319 5.1x10−6 PM / M-2 11.5 2.02 0.319 3.2x10−6

4.3.1.3 Comparación de la permeabilidad saturada

En la Figura 4.21 se muestran a modo de resumen comparativo, los resultados obtenidos en la determinación de la permeabilidad saturada en la cámara triaxial y por retroanálisis a partir de la porosimetría de mercurio (MIP). Se observa que los valores derivados de la porosimetría de mercurio se encuentran entre 2 y 4 órdenes de magnitud por encima de los resultados experimentales, es decir, que los resultados de permeabilidad a partir de la porosimetría son entre 2 y 4 órdenes de magnitud más grandes que los experimentales (más permeables). Esto se puede explicar porque en la ecuación utilizada en el retroanálisis de la porosimetría, se consideran los poros del suelo como ‘tubos en paralelo’, por tanto los diámetros grandes dan lugar a permeabilidades del conjunto muy altas. En el suelo, los ‘tubos’ (poros) están en serie, de forma que la permeabilidad del conjunto está dada por los tubos más pequeños.


74

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Índice de poros, e

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

3x10-9

3x10-8

3x10-7

3x10-6

3x10-5

3x10-4

Per

me

abili

dad

al a

gua,

kw (

m/s

)Permeabilidad Saturada

Blq1 (test)

S(4.3-4.9m) (test)

Blq1 (MIP)

Blq3 (MIP)

S(4.3-4.9) (MIP)

CE d=1.7Mg/m3 (MIP)

PN (MIP)

2PN (MIP)

PM (MIP)

kw (m

/s) = exp(15.1 * e) * 2

.8x10-12

Figura 4.21. Permeabilidad saturada al agua. Comparación entre los valores obtenidos experimentalmente y por retroanálisis a partir del ensayo de porosimetría. Material A-28.

4.3.2 Permeabilidad no saturada

Se obtuvieron valores de la permeabilidad al agua no saturada del material A-28, mediante retro-análisis de los datos experimentales del ensayo de porosimetría de intrusión de mercurio (MIP) y del ensayo edométrico con control de succión.


75

La permeabilidad al agua no saturada kns viene dada en función de la permeabilidad relativa kr y de la permeabilidad saturada kw. A su vez, la permeabilidad relativa kr está en función del grado de saturación Sr y la permeabilidad saturada kw está en función del índice de poros e. De forma matemática podemos escribir:

( , ) ( ) ( ) nsns r w r

w

kk Sr e k Sr k e k

k (4.11)

4.3.2.1 Retroanálisis de la porosimetría MIP

En el retroanálisis de la porosimetría de intrusión de mercurio, la permeabilidad relativa kr se determina a partir de la variación de la permeabilidad saturada al agua kw, teniendo en cuenta el grado de saturación Sr del suelo mientras se hace el llenado de los poros. Para la determinación del grado de saturación se considera que, durante la baja presión del ensayo MIP, primero se llenan los poros grandes y luego, durante la alta presión del ensayo MIP, se llenan los poros grandes. El coeficiente de permeabilidad relativa kr, se obtiene a partir de la siguiente expresión analítica (Romero et al, 1999):

1

2

0

21

0

( )( ) ; ( )

( )

p Sr

p Sr

p p pw Sr nsr r

w wSr p p p

f dk kk Sr k Sr

k k f d (4.12)

Desde la Figura 4.22 hasta la Figura 4.28 se muestra la variación de la permeabilidad relativa kr (no saturada al agua) en función del grado de saturación Sr, derivados de los ensayos de porosimetría de mercurio, para las muestras Blq1, Blq3, S(4.3-4.9m), CE d=1.7Mg/m³, PN, 2PN y PM, respectivamente. Se propusieron dos ajustes a los datos experimentales, para intentar reproducir su comportamiento, según las expresiones analíticas que se describen a continuación:

m

r rk S (4.13)

0

01r

nr r

rk

S SS (4.14)

donde kr es la permeabilidad relativa, Sr el grado de saturación, Sr0 el grado de saturación inicial, y m y n parámetros relacionados con la forma de la curva. Dichas ecuaciones se resolvieron por el método de los mínimos cuadrados para realizar el ajuste de los exponentes m y n. De los datos obtenidos se puede mencionar que para pequeños cambios en el grado de saturación, en rangos cercanos o superiores a 0.8 (Sr0.8), la permeabilidad relativa varía rápidamente su valor hasta alcanzar el máximo, kr=1.


76

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1Grado de saturación, Sr

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Per

mea

bilid

ad

rela

tiva

, k r

PorosimetríaPermeabilidad relativa no saturada

Blq1

kr =Srm ; m =6.73

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.38, n =2.26

Figura 4.22. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra Blq1. Material A-28.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rme

ab

ilid

ad

re

lativ

a,

k r


Blq3

kr =Srm ; m =9.48

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.55, n =2.02

Figura 4.23. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra Blq3. Material A-28.


77


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rmea

bilid

ad r

elat

iva,

kr


S(4.3-4.9m)

kr =Srm ; m =7.46

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.45, n =2.09

Figura 4.24. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rmea

bilid

ad r

elat

iva,

kr


CE d=1.7Mg/m3

kr =Srm ; m =9.47

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.50, n =2.26

Figura 4.25. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra CE d=1.7Mg/m³. Material A-28.


78


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rmea

bilid

ad r

elat

iva,

kr


PN

kr =Srm ; m =5.22

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.32, n =1.87

Figura 4.26. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra PN. Material A-28.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rmea

bilid

ad r

elat

iva,

kr


2PN

kr =Srm ; m =7.49

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.46, n =1.96

Figura 4.27. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra 2PN. Material A-28.


79


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pe

rmea

bilid

ad r

elat

iva,

kr


PM

kr =Srm ; m =7.13

kr =[(Sr - Sr0)/(1 - Sr0)]n ;

Sr0 =0.38, n =2.45

Figura 4.28. Evolución de la permeabilidad relativa en función del grado de saturación, del ensayo de porosimetría. Muestra PM. Material A-28.

4.3.2.2 Retroanálisis del edómetro con control de succión

Se pueden obtener medidas de la permeabilidad al agua de un suelo en estado no saturado, usando la célula edométrica con control de succión, siguiendo trayectorias de humedecimiento/secado. La medida de la permeabilidad no saturada se realizó durante los escalones de cambio de succión bajo carga neta vertical constante, durante la evolución temporal de la medida de entrada/salida de agua durante el flujo transitorio (cambio de volumen) en el suelo. Las medidas de flujo se interpretaron mediante la ecuación de Richards (1931), modificada por Gardner (1956), Miller & Elrick (1958), Kunze & Kirham (1962), Vicol (1990) y Romero (1999), permitiendo estimar la variación de la permeabilidad al agua no saturada kns en función del grado de saturación Sr del suelo. Para la determinación de la permeabilidad no saturada, durante esta investigación se utilizó el programa PERM desarrollado por Giusseppe Sorbino (implementado en Q-Basic). El programa permite resolver de forma iterativa la ecuación de la cantidad unidimensional de agua en régimen transitorio integrada en el tiempo y que a demás tiene en cuenta la impedancia de la piedra porosa cerámica AVEA (modificación de la ecuación de Richards, ec. (4.15)) y calcular la permeabilidad al agua no saturada kns (ec. (4.16)). La modificación a la ecuación de Richards es:


80

2

w 2

2 210

2exp( )Q(t) e1 ;

Q ( csc )

nns

n n n d

tD kL a

a Lk (4.15)

donde Q es la variación del volumen de agua para un tiempo t, Q0 es la variación total del volumen de agua intersticial correspondiente al intervalo de variación de la presión de agua, n es la n-ésima solución de la ecuación an=cotn para n=1,2,…, Dw es la difusividad (que está relacionada con la permeabilidad al agua no saturada kns), L es la altura de suelo (muestra), a es la relación de las impedancias de la piedra AVEA y el suelo, e y kd son el espesor y la permeabilidad de la piedra AVEA, respectivamente. Para resolver la ecuación, se asume que existe una relación lineal entre el contenido de agua volumétrico (=nSr=Gsw/(1+e)) y la succión matricial, siendo válido para pequeños cambios (incremento/decremento) de presión de agua. Para facilitar el cálculo de la permeabilidad no saturada, Romero (1999) asumió que la permeabilidad al agua no saturada kns (relacionada con la difusividad Dw) se mantiene constante para pequeños cambios de la presión de agua. Las condiciones iniciales y de frontera en los ensayos de succión controlada (control del flujo de entrada/salida), puede expresarse matemáticamente como: hw (z,t)=hw0 para t=0 y 0 z L hw (z,t)=hw0+hw para t>0 y z=0

hw

z Lz =0 para t>0 y z=L

donde hw=uw/w es la altura de presión de agua, siendo uw la presión de agua y w la densidad del agua. A demás se considera que el plano z=0 coincide con la base de la muestra, el equilibrio en la muestra es la condición inicial, el avance del frente de hidratación en el suelo es ascendente y que no hay flujo en la parte superior de la muestra (velocidad del agua nula en z=L). Para resolver la ecuación (4.15) es necesaria una nueva condición de contorno:

0

0

h ( (0, ))w w w w dns

z d

h h h t kk

z L para t>0 y z=0

Para resolver la ecuación modificada de Richards y determinar la permeabilidad no saturada, es necesario basarse en las siguientes hipótesis simplificadas: El esqueleto sólido es rígido. El flujo de agua es unidimensional e isotérmico. El agua es incompresible. El potencial gravitatorio es nulo. La permeabilidad al agua (kns o Dw) es constante.


81

El programa utilizado ajusta la evolución de la variación de contenido de agua en el tiempo con la solución analítica, de tal manera que permite realizar la estimación del parámetro Dw. Con este parámetro, se puede estimar la permeabilidad al agua no saturada, según la siguiente expresión:

0Q

h Vw w w

ns

w w

D Dk

u (4.16)

donde V es el volumen de la muestra. Durante el proceso, el grado de saturación varía, por lo que se toma un valor promedio para representarlo con la permeabilidad que se ha retroanalizado. En la Figura 4.29 y Figura 4.30 se muestran los resultados obtenidos de los datos del flujo transitorio medidos en los diferentes escalones de cambio de succión, así como los ajustes realizados utilizando la ecuación de Richards (1931) modificada por Romero (1999), correspondiente a la muestra CE d=1.4Mg/m³ para las probetas ESC-1 y ESC-2. Los datos se analizaron para los escalones de cambio de succión (ua-uw) de 50, 36, 23 y 10kPa (humedecimiento), de 10 y 36kPa (secado) y de 36, 10 y 0kPa (humedecimiento hasta la saturación), para una tensión neta vertical constante de v-ua=100kPa. En la Tabla 4.7 se resumen los valores obtenidos en los escalones de cambio de succión para el grado de saturación promedio Sr, la permeabilidad no saturada kns y la permeabilidad relativa no saturada kr. Para ello, se ha considerado que la permeabilidad saturada es la misma que la correspondiente a un grado de saturación de Sr=0.98. En la Figura 4.31 y Figura 4.32 se presenta la variación de la permeabilidad no saturada kns en función del índice de poros e, para las probetas CE d=1.4Mg/m³ ESC-1 y ESC-2, respectivamente. La Figura 4.33 y Figura 4.34 se muestra la variación de la permeabilidad no saturada kns en función del grado de saturación Sr. En la Figura 4.35 y Figura 4.36 se presenta la variación de la permeabilidad relativa no saturada kr en función del grado de saturación Sr, así como el ajuste realizado, en los escalones de cambio de succión. Dicho ajuste fue realizado según la ecuación (4.13). De las diferentes figuras se puede observar que, durante los escalones de cambio de succión, antes de llevar a la saturación total (Sr=1 y/o ua-uw=0), los cambios ocurridos no son muy significativos, ni en cuanto a la entrada de volumen de agua a la muestra (cambio en el grado de saturación) ni en la variación de la permeabilidad no saturada; aunque la variación de la permeabilidad no saturada para la probeta ESC-2, es de un orden de magnitud (3.1x10−11 a 5.6x10−10m/s).


82

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

0

1

2

3

4

5

6V

olu

me

n d

e a

gu

a,

Vw (

cm3)

Edómetro con Succión ControladaPermeabilidad no saturada

(ua-uw) =5036kPa ;

kns =3.3x10-10m/s, Sr =0.49

(ua-uw) =3623kPa ;

kns =1.2x10-10m/s, Sr =0.50

(ua-uw) =2310kPa ;

kns =1.6x10-10m/s, Sr =0.53

(ua-uw) =1036kPa ;

kns =2.4x10-10m/s, Sr =0.54

(ua-uw) =3610kPa ;

kns =2.1x10-10m/s, Sr =0.53

(ua-uw) =100kPa ;

kns =9.4x10-9m/s, Sr =0.98

ESC-1

v-ua =100kPa

Figura 4.29. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado a la probeta y ajuste de la permeabilidad no saturada, a partir del ensayo edométrico con control de succión. Muestra

CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. Material A-28.


83

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

0

1

2

3

4

5

6

Vo

lum

en

de

ag

ua

, V

w (

cm3)


(ua-uw) =5036kPa ;

kns =3.1x10-11m/s, Sr =0.41

(ua-uw) =3623kPa ;

kns =7.9x10-11m/s, Sr =0.42

(ua-uw) =2310kPa ;

kns =2.0x10-10m/s, Sr =0.45

(ua-uw) =1036kPa ;

kns =2.7x10-10m/s, Sr =0.47

(ua-uw) =3610kPa ;

kns =5.6x10-10m/s, Sr =0.45

(ua-uw) =100kPa ;

kns =1.5x10-8m/s,Sr =0.98

ESC-2

v-ua =100kPa

Figura 4.30. Evolución temporal del volumen de agua infiltrado a la probeta y ajuste de la permeabilidad no saturada, a partir del ensayo edométrico con control de succión. Muestra

CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. Material A-28.


84

Tabla 4.7. Valores de permeabilidad no saturada y relativa al agua, derivados del ensayo edométrico con succión controlada, obtenidos en los escalón de cambio de succión.

Muestra / Probeta Cambio de succión

CE d=1.4Mg/m³ / ESC-1 CE d=1.4Mg/m³ / ESC-2 (ua-uw)0 (ua-uw)f Sr kns (m/s) kr Sr kns (m/s) kr

50 36 0.49 3.3x10−10 0.036 0.41 3.1x10−11 0.002 36 23 0.50 1.2x10−10 0.013 0.42 7.9x10−11 0.005 23 10 0.53 1.6x10−10 0.017 0.45 2.0x10−10 0.013 10 36 0.54 2.4x10−10 0.022 0.47 2.7x10−10 0.036 36 10 0.53 2.1x10−10 0.025 0.45 5.6x10−10 0.018 10 0 0.98 9.4x10−9 1.0 0.98 1.5x10−8 1.0

0.8 0.85 0.9Índice de poros, e

1x10-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

3x10-11

3x10-10

3x10-9

3x10-8

Pe

rme

ab

ilid

ad

no

sa

tura

da

, k n

s (m

/s)


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

ESC-1v-ua =100kPa

Figura 4.31. Evolución de la permeabilidad no saturada en función del índice de poros, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1. Material A-28.


85

0.75 0.8 0.85 0.9Índice de poros, e

1x10-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

3x10-11

3x10-10

3x10-9

3x10-8

Pe

rme

ab

ilid

ad

no

sa

tura

da

, k n

s (m

/s)


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

ESC-2v-ua =100kPa

Figura 4.32. Evolución de la permeabilidad no saturada en función del índice de poros, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2. Material A-28.


1x10-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

3x10-11

3x10-10

3x10-9

3x10-8

Pe

rme

ab

ilid

ad

no

sa

tura

da

, k n

s (m

/s)


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

ESC-1v-ua =100kPa

Figura 4.33. Variación de la permeabilidad no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1.


86


1x10-11

1x10-10

1x10-9

1x10-8

1x10-7

3x10-11

3x10-10

3x10-9

3x10-8

Pe

rme

ab

ilid

ad

no

sa

tura

da

, k n

s (m

/s)


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

ESC-2v-ua =100kPa

Figura 4.34. Variación de la permeabilidad no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Per

mea

bilid

ad

rela

tiva

, k r


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

kr =Srm ; m =5.14

ESC-1v-ua =100kPa

Figura 4.35. Evolución de la permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación, del ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-1.


87


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Per

mea

bilid

ad

rela

tiva

, k r


(ua-uw) =5036kPa

(ua-uw) =3623kPa

(ua-uw) =2310kPa

(ua-uw) =1036kPa

(ua-uw) =3610kPa

(ua-uw) =100kPa

kr =Srm ; m =4.43

ESC-2v-ua =100kPa

Figura 4.36. Evolución de la permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación, de ensayo edométrico con control de succión. Muestra CE d=1.4Mg/m³ ESC-2.

4.3.2.3 Comparación de la permeabilidad no saturada

En la Figura 4.37 se muestran a modo de resumen comparativo, los resultados obtenidos en la determinación de la permeabilidad relativa no saturada por retroanálisis a partir de la porosimetría de mercurio (MIP) sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m) y los obtenidos experimentalmente a partir de los ensayos edométricos con control de succión sobre las muestras CE d=1.4Mg/m³ ESC-1 y ESC-2. Se propone un ajuste de los datos utilizando la ecuación (4.13), en la que se observa la evolución de permeabilidad relativa (kr) en función del grado de saturación (Sr). De manera general se observa una buena correspondencia entre los datos obtenidos analítica y experimentalmente, para las muestras inalteradas y compactadas estáticamente. Es importante mencionar, que aunque existe una diferencia entre de las densidades secas de las muestras inalteradas y compactadas, este hecho no es muy relevante debido a que la permeabilidad relativa kr depende exclusivamente del grado de saturación Sr y no del índice de poros de la muestra.


88


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Perm

eabili

dad r

ela

tiva, k r

Permeabilidad relativa no saturadaBlq1 (MIP)

S(4.3-4.9m) (MIP)

ESC-1

ESC-2

kr =Srm ; m =5.96

Figura 4.37. Permeabilidad relativa no saturada en función del grado de saturación. Comparación entre los valores obtenidos de la porosimetría y del ensayo edométricos con

control de succión, sobre muestras inalteradas y compactadas. Material A-28.

4.4 RIGIDEZ

4.4.1 Compresibilidad y colapsabilidad en condiciones edométricas

Para determinar en el laboratorio la compresibilidad y colapsabilidad de la capa del material A-28, se realizaron ensayos edométricos con etapa de saturación (inundación de la probeta) aplicada a diferentes tensiones verticales, para observar el fenómeno de colapso (compresión volumétrica irreversible) del material en estudio. Los ensayos se realizaron sobre ocho probetas de la muestra Blq1 (inalterada). En la Tabla 4.8 se indican las propiedades gravimétricas y volumétricas de las probetas antes del ensayo (condiciones iniciales), así como la tensión efectiva vertical de saturación; donde w representa el contenido de humedad, d la densidad seca, e el índice de poros y Sr el grado de saturación.


89

Tabla 4.8. Ensayos edométricos. Condiciones iniciales de las probetas ensayadas y tensiones de saturación (medida del colapso).

Muestra / Probeta Saturación σ'v (kPa) w (%) d (Mg/m³) e Sr (%)

Blq1 / 1 10 13.7 1.78 0.497 73.2 Blq1 / 2 25 17.1 1.73 0.535 85.0 Blq1 / 3 50 17.0 1.76 0.514 87.9 Blq1 / 4 100 17.1 1.74 0.528 85.9 Blq1 / 5 200 16.9 1.80 0.479 93.9 Blq1 / 6 300 17.2 1.79 0.484 94.7 Blq1 / 7 400 14.4 1.79 0.483 79.1 Blq1 / 8 600 14.4 1.76 0.510 75.1

De la Figura 4.38 a la Figura 4.45 se presentan la evolución temporal de la deformación vertical (volumétrica) para las diferentes etapas de carga en condición edométrica, de las probetas ensayadas. De la Figura 4.46 a la Figura 4.53 se muestran las curvas de carga/descarga en condición edométrica, representando el cambio del índice de poros e en función de la tensión efectiva vertical aplicada σ'v. También, en las mismas figuras, se indican los coeficientes de compresibilidad -e/lnσ'v, de la zona de mayor compresibilidad durante la carga (tensión efectiva vertical entre 400 y 800kPa) así como la compresibilidad durante la etapa de descarga; donde lnσ'v es el logaritmo natural de la tensión efectiva vertical. La Tabla 4.9 resume los valores de los coeficientes de compresibilidad -e/lnσ'v, así como los índices de compresión Cc e hinchamiento Cs (parámetros de compresibilidad equivalentes, expresados en términos del logaritmo decimal log) determinados a partir de los ensayos edométricos en la zona de máxima compresibilidad en carga. La Figura 4.54 muestra la variación de los índices de compresión e hinchamiento en función de la tensión efectiva vertical aplicada en la inundación de los ensayos de colapso bajo condiciones edométricas. Para determinar los parámetros de consolidación unidimensional, se utilizaron los datos obtenidos del ensayo edométrico saturado realizado sobre la muestra Blq1/1 (inundado desde el inicio). Para obtener los parámetros de de consolidación en una dimensión (1-D), las evoluciones temporales de la deformación vertical en las trayectorias de carga y descarga fueron ajustadas mediante el método de los mínimos cuadrados, resolviendo la siguiente expresión:

0 90

2 2' U( , ) log( / )

(1 )v vm

h hd d t C C t t

E e (4.17)

donde d0 representa la compresión inicial, h la distancia promedio de drenaje (h=10mm condiciones de doble drenaje), Em el módulo de deformación drenado en condición edométrica, σ'v el incremento en la tensión efectiva vertical, U(t,Cv) el grado de consolidación promedio que es función del tiempo t y del coeficiente de consolidación Cv,


90

C el coeficiente de consolidación secundaria (C=-e/logt) y t90 el tiempo necesario para alcanzar un grado de consolidación del 90%. A partir de los parámetros identificados sobre la muestra Blq1/1, se realizó una estimación de la permeabilidad saturada de acuerdo con la siguiente expresión:

1

w v wm

k CE (4.18)

La Tabla 4.10 resume la variación de los parámetros de compresibilidad en cada una de las etapas de carga/descarga realizadas sobre la muestra Blq1/1 (condiciones saturadas). En la Figura4.55 se presenta la variación del coeficiente de permeabilidad saturada al agua kw en función del índice de poros e sobre la muestra Blq1/1 durante el ensayo edométrico en condiciones saturadas, para las etapas de carga/descarga. En la Figura 4.56 se muestran a modo de resumen comparativo, los resultados obtenidos en la determinación de la permeabilidad saturada al agua de los ensayos realizados en la cámara triaxial sobre las muestras Blq1 y S(4.3-4.9m) y por retroanálisis a partir del ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Se observa que los valores de permeabilidad obtenidos son del mismo orden de magnitud pero con la variabilidad del índice de poros debida a las diferentes etapas de carga aplicadas durante el ensayo edométrico. La Figura4.57 muestra la evolución del coeficiente de consolidación Cv en función de la tensión efectiva vertical 'v derivados del ensayo edométrico saturado sobre la muestra Blq1/1, durante las etapas de carga. En la Figura4.58 se muestra la evolución del coeficiente de consolidación secundaria C en función de la tensión efectiva vertical 'v derivados del ensayo edométrico saturado sobre la muestra Blq1/1, durante las etapas de carga. La Figura 4.59 presenta a manera de resumen, los valores de colapso obtenidos de los ensayos edométricos, expresados como la deformación volumétrica (irreversible) en función de la tensión efectiva vertical aplicada en la etapa de saturación. De dicha figura se puede observar que los valores de colapso obtenidos son bajos (deformación volumétrica inferior al 1%), teniendo en cuenta que la capa de material A-28 se compactó deficitáriamente apropósito para favorecer los efectos de colapso por inundación. Probablemente las muestras bloque se vieron afectadas por su proximidad a la superficie del talud durante el proceso de inundación de campo (terraplén), considerando que la lamina de agua de inundación sobre el talud (costado este) alcanzo 1.4m de altura. De manera general, se observa una tendencia de incremento del colapso con el aumento de la tensión vertical. La Figura 4.60 muestra la variación del grado de saturación Sr alcanzado con la aplicación de la tensión vertical bajo condiciones de humedad constante, es decir, antes de realizar la inundación de las probetas, en función de la tensión efectiva vertical de inundación '. En la gráfica, se aprecia una adecuada correspondencia del aumento del grado de saturación bajo humedad constante con el aumento de la tensión efectiva vertical, excepto para los valores de tensión efectiva vertical mayores (400 y 600kPa), donde el grado de saturación vuelve a disminuir. Esto probablemente se puede explicar por los contenidos de humedad inicial w0 más bajos, posiblemente provocados por la manipulación de apertura/sellado (estanqueidad) de la muestra bloque durante los procesos de tallado de probetas.


91

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

7

6

5

4

3

2

1

0

-1

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa

Inundación en 10kPa

2550kPa

50100kPa

100200kPa

200400kPa

400800kPa

80010kPa

Figura 4.38. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/1 saturada desde el inicio σ'v=10kPa. Material A-28.

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

7

6

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa


2550kPa

50100kPa

100200kPa

200400kPa

400800kPa

800400kPa

40010kPa

Figura 4.39. Evolución temporal de la deformación vertical en las etapas de carga bajo condición edométrica. Muestra Blq1/2 inundada en σ'v=25kPa. Material A-28.


92

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

7

6

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

12.525kPa


2550kPa

50100kPa

100150kPa

150200kPa

200400kPa

400800kPa

80012.5kPa


0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

7

6

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa


2550kPa50100kPa

100200kPa

200400kPa

400800kPa

80010kPa



93

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

6

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa


2550kPa

50100kPa

100200kPa

200400kPa

400800kPa

800400kPa

40010kPa


0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

12.525kPa


2550kPa

50100kPa

100200kPa

200300kPa

300400kPa

400800kPa

80012.5kPa



94

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa


2550kPa

50100kPa

100200kPa

200400kPa

400800kPa

800400kPa

40010kPa


0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Tiempo, t (min)

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

ve

rtic

al, v

(%

)

Carga

Descarga

1025kPa


2550kPa

50100kPa

100200kPa

200400kPa

600800kPa

800400kPa

40010kPa

400600kPa



95

10 100 100020 50 200 500

Tensión efectiva vertical, 'v (kPa)

0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e

Inundación en 'v =10kPa

-e/ln'v =0.043(máx. compresibilidad en carga)

-e/ln'v =0.004(compresibilidad en descarga)

Hinchamiento porinundación

Figura 4.46. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de hinchamiento. Muestra Blq1/1 saturada desde el inicio σ'v=10kPa. Material A-28.

10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e




Colapso porinundación

Figura 4.47. Curva edométrica y coeficientes de compresibilidad. Ensayo de colapso. Muestra Blq1/2 inundada en σ'v=25kPa. Material A-28.


96

10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e






10 100 100020 50 200 5005


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e


-e/ln'v =0.052

(máx. compresib. en carga)

-e/ln'v =0.004

(compresibilidad en descarga)




97

10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índi

ce d

e po

ros,

e






10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e







98

10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e






10 100 100020 50 200 500


0.40

0.42

0.44

0.46

0.48

0.50

0.52

0.54

Índ

ice

de

po

ros,

e

Inundación en 'v =600kPa-e/ln'v =0.041(máx. compresibilidad en carga)





99

Tabla 4.9. Coeficientes de compresibilidad en las ramas de carga y descarga, de los ensayos edométricos. Material A-28

Carga Descarga Muestra / Probeta

Inundación σ'v (kPa) −e / lnσ' Cc −e / lnσ' Cs

Blq1 /1 10 0.043 0.100 0.004 0.010 Blq1 /2 25 0.045 0.103 0.004 0.009 Blq1 /3 50 0.044 0.101 0.003 0.008 Blq1 /4 100 0.052 0.121 0.004 0.009 Blq1 /5 200 0.032 0.074 0.005 0.011 Blq1 /6 300 0.037 0.084 0.004 0.009 Blq1 /7 400 0.025 0.058 0.004 0.010 Blq1 /8 600 0.041 0.094 0.005 0.011

10 100 100020 50 200 5005

Tensión efectiva vertical eninundación, 'v (kPa)

1x10-2

1x10-1

1x100

2x10-2

5x10-2

2x10-1

5x10-1

2x100

5x10-3

2x10-3

Índ

ice

de

co

mp

resi

ón

, C

c

Índ

ice

de

hin

cha

mie

nto

, C

s

Ensayos edométricosCc

Cs

Figura 4.54. Variación de los índices de compresión e hinchamiento en función de la tensión efectiva vertical de inundación en los ensayos de colapso bajo condiciones

edométricas de la muestra Blq1. Material A-28.


100

Tabla 4.10. Resumen de parámetros identificados en el ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Material A-28.

Tensión v e Cv C Em kw (kPa) (%) (cm²/s) (MPa) (m/s)

10 0 0.497 10 -0.15 0.499 0.003 6.0x10−5* 6.0 4.7x10−9

25 0.24 0.494 0.115 5.2x10−4 3.9 3.0x10−7

50 0.70 0.487 0.019 7.4x10−4 5.4 3.6x10−8

100 1.48 0.475 0.015 8.5x10−4 6.4 2.3x10−8

200 2.62 0.458 0.007 5.0x10−4 8.8 7.9x10−9

400 4.10 0.436 0.012 1.2x10−4 13.4 9.1x10−9

800 6.12 0.406 0.011 1.6x10−4 19.9 5.3x10−9

20 5.03 0.422 0.006 1.1x10−4* 71.8 8.1x10−10

*: valor en expansión

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Índice de poros, e

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

3x10-9

3x10-8

3x10-7

3x10-6

3x10-5

3x10-4

Pe

rme

ab

ilid

ad

al a

gu

a,

k w (

m/s

)

Permeabilidad SaturadaBlq1/1 (edo sat)

k w (m

/s)= exp(21.9*e)*6.2x10-13

Figura4.55. Variación de la permeabilidad saturada en función del índice de poros en el ensayo edométrico saturado (convencional) sobre la muestra Blq1/1. Material A-28.


101

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Índice de poros, e

1x10-9

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4

1x10-3

3x10-9

3x10-8

3x10-7

3x10-6

3x10-5

3x10-4

Pe

rme

ab

ilid

ad

al a

gu

a,

k w (

m/s

)

Permeabilidad SaturadaBlq 1 (test TX)

S(4.3-4.9m) (test TX)

Blq1/1 (test Edo sat)

kw (m

/s) = exp(15.1*e)*2.8x10-12

k w (m

/s)= exp(21.9*e)*6.2x10-13

Edómetro Cámara triaxial

Figura 4.56. Permeabilidad saturada al agua. Comparación entre los valores obtenidos experimentalmente y por retroanálisis a partir del ensayo edométrico saturado

(convencional). Material A-28.

10 100 100020 50 200 500


1x10-3

1x10-2

1x10-1

2x10-3

5x10-3

2x10-2

5x10-2

Co

efic

ien

te d

e c

on

solid

aci

ón

, C

v (c

m²/

s)

Ensayo edométricoBlq1/1

Figura4.57. Evolución del coeficiente de consolidación en función de la tensión efectiva vertical del ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Material A-28.


102

10 100 100020 50 200 500


1x10-4

1x10-3

1x10-2

2x10-4

5x10-4

2x10-3

5x10-3

Co

efic

ien

te d

e co

nsol

ida

ció

n s

ecun

da

ria,

C Ensayo edométrico

Blq1/1

Figura4.58. Evolución del coeficiente de consolidación secundaria en función de la tensión efectiva vertical del ensayo edométrico sobre la muestra Blq1/1. Material A-28.

0 100 200 300 400 500 600Tensión efectiva vertical, 'v (kPa)

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

Def

orm

ació

n vo

lum

étric

a,

v (%

)

Ensayos edométricos(hinchamiento/colapso)

?

?

?

Figura 4.59. Resumen de los ensayos de hinchamiento/colapso bajo condiciones edométricas de la muestra Blq1. Material A-28.


103

10 100 100020 50 200 5005

Tensión efectiva vertical eninundación, 'v (kPa)

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

Gra

do

de

sa

tura

ció

na

nte

s d

e in

un

da

ció

n,

Sr

Ensayos edométricos

Figura 4.60. Variación del grado de saturación antes de inundación (bajo humedad y tensión vertical constantes) en función de la tensión efectiva vertical de la muestra Blq1.

Material A-28.

4.4.2 Comparación de la colapsabilidad in-situ con la de laboratorio

De los resultados medidos en campo en el terraplén experimental (instrumentación in-situ) y los obtenidos mediante ensayos en el laboratorio, sobre el limo poco plástico (A-28) poco compactado, podemos comentar que: Los valores de colapso alcanzados durante la primera inundación del terraplén, hasta

alcanzar una altura de agua de 1m en las balsas laterales, sólo aportaron el 2% (1.5 a 2cm) de deformación vertical medida durante la experimentación de campo, bajo una tensión de carga vertical de 100kPa. Durante la segunda inundación no se apreciaron deformaciones verticales sobre el material que ya estaba saturado (parte inferior de la capa A-28).

Los valores obtenidos mediante los ensayos de colapso en el laboratorio (Figura 4.59),

son del mismo orden de magnitud que los de campo (1%), aunque con estos se llegó a valores de la tensión de carga vertical superiores (hasta 600kPa). El hecho que los colapsos medidos en el laboratorio fueran inferiores a los medidos en campo, a tensiones de carga vertical superiores a la del terraplén, hace importante realizar un estudio de la colapsabilidad del material frente a diferentes tensiones de carga vertical.


104

Probablemente, la poca colapsabilidad del material medida en el laboratorio se debió a que las muestras (bloque) fueron parcial o totalmente afectadas por el proceso de inundación de campo (la altura de agua alcanzó 1.4m, coincidiendo con la altura a la cual se extrajo la muestra bloque). La muestra fue extraída superficialmente sobre el talud del terraplén y no fue expuesta, importantemente, a las sobrecargas verticales por construcción de las capas superiores (material SNEC).

Las deformaciones importantes (8%) ocurridas en la capa del material A-28 del

terraplén, se debieron a las cargas aplicadas durante la construcción (antes de la inundación) de las capas superiores con el material SNEC (sobrecarga), medidas como asientos y no por colapso del material.

4.4.3 Consolidación isótropa bajo condiciones triaxiales

En la Figura 4.61 y Figura 4.62 se representan las evoluciones de la deformación volumétrica v (v = 1+23) en función de la tensión media efectiva p', realizadas sobre la muestra inalterada S(4.3-4.9m). Durante las etapas de consolidación isótropa, la tensión media efectiva aplicada varió entre 10kPa y el valor máximo de la tensión de consolidación alcanzada p'0=60 y 150kPa. La Tabla 4.11 resume las principales propiedades gravimétricas y volumétricas de las probetas ensayadas. También incluye el valor máximo de la tensión de consolidación alcanzada p'0 durante el ensayo. El subíndice ‘0’ se refiere a las condiciones iniciales. En la tabla, w representa el contenido de humedad gravimétrico, d la densidad seca, e el índice de poros y Sr el grado de saturación. Para el cálculo de la deformación volumétrica se ha asumido 1 = 3; siendo 1 la deformación axial y 3 la radial. p' = p-u representa la tensión media efectiva, siendo p la tensión media total y u la presión de poros. En las figuras también se indican los coeficientes de compresibilidad v / lnp' determinados en la zona de mayor compresibilidad, así como la compresibilidad durante la etapa de descarga (Figura 4.62); siendo lnp' el logaritmo natural de la tensión media efectiva. La Tabla 4.12 resume dichos coeficientes.

Tabla 4.11. Consolidación isótropa bajo condiciones triaxiales. Variables gravimétricas y volumétricas de las probetas ensayadas. Muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.

h w0 d0 e0 Sr0 p'0 Muestra/Probeta

(mm) (%) (Mg/m³) (%) (kPa)

S(4.3-4.9m)/M-1 37.0 76.0 17.5 1.74 0.525 88.7 60

S(4.3-4.9m)/M-3 37.5 76.0 18.6 1.68 0.579 85.3 150


105

10 10020 50 200

Tensión media efectiva, p' (kPa)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Def

orm

ació

n vo

lum

étri

ca,

v (%

)

S (4.3-4.9m): p'o=1060kPa

v/lnp' = 0.013

Figura 4.61. Consolidación isótropa en equipo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m), p'0=60kPa. Material A-28.

10 10020 50 200

Tensión media efectiva, p' (kPa)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

De

form

aci

ón

vo

lum

étr

ica

, v

(%

)

S (4.3-4.9m): p'o=10150kPa

v/lnp' = 0.065

v/lnp' = 0.002

Figura 4.62. Consolidación isótropa en equipo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m), p'0=150kPa. Material A-28.


106

Tabla 4.12. Coeficientes de compresibilidad en las ramas de carga y descarga, de los ensayos de consolidación isótropa bajo condiciones triaxiales. Material A-28.

v / lnp' Muestra/Probeta

Consolidación a p'0 (kPa) carga descarga

S(4.3-4.9m)/M-1 60 0.013 -

S(4.3-4.9m)/M-3 150 0.065 0.002

4.4.4 Módulos bajo condiciones triaxiales

La obtención de los módulos bajo condiciones triaxiales se realizó sobre la muestra inalterada S(4.3-4.9m). Durante la etapa de rotura sin drenaje, se mantuvo constante la tensión radial 3 (tensión de cámara), alcanzada al final de la etapa previa de consolidación isótropa (p'0=60 y 150kPa). En la Figura 4.63 y Figura 4.64 se muestra la evolución del comportamiento tensión-deformación de las probetas durante la etapa de rotura sin drenaje del ensayo triaxial. La Figura 4.63 muestra la evolución de la tensión desviadora q en función de la deformación axial 1. La Figura 4.64 muestra la evolución de la relación de tensiones q/p' en función de la deformación axial 1. En trayectorias no drenadas sin cambio de volumen v=0, la deformación axial coincide con la deformación de corte: 1=s, donde s representa la tensión de corte (v=1+23=0 y s=2(1-3)/3 1=s).


107

0 5 10 15 20 25Deformación axial, 1 (%)

0

50

100

150

200

250

Te

nsió

n d

esvi

ador

a,

q (k

Pa)

S(4.3-4.9m)p'0 =60kPa

p'0 =150kPa

Figura 4.63. Evolución de la tensión desviadora con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.


0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

Re

laci

ón

de

te

nsi

on

es,

q /

p'

S(4.3-4.9m)p'0 =60kPa

p'0 =150kPa

Figura 4.64. Evolución de la relación de tensiones q/p' con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.


108

A partir del comportamiento tensión-deformación seguido por el suelo, se pudieron determinar los módulos secante no drenado (Eu ) y de corte (G) durante la etapa de corte sin drenaje del ensayo triaxial. En la Figura 4.65 se representa la variación del módulo de deformación secante no drenado Eu = q / 1 (módulo de Young) en función de la deformación axial 1. En la Figura 4.66 se muestra el cambio del módulo de corte G =Eu / (2(1+)) en función de la deformación de corte s, (en condiciones no drenadas, =0.5).

0.001 0.01 0.1 1 100.003 0.03 0.3 3

Deformación axial, 1 (%)

0

20

40

60

80

100

120

Mó

dul

o d

e d

efo

rmac

ión

se

can

te n

o d

ren

ado

,E

u=

q

/

1 (M

Pa

)

S (4.3-4.9m)p'0 =60kPa, carga

p'0 =60kPa, descarga

p'0 =60kPa, recarga

p'0 =150kPa, carga


p'0 =150kPa, recarga

Figura 4.65. Variación del módulo de deformación secante no drenado con la deformación axial, determinado en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.


109

0.001 0.01 0.1 1 100.003 0.03 0.3 3

Deformación de corte, s (%)

0

10

20

30

40

Módul

o d

e c

ort

e, G

(M

Pa)

S(4.3-4.9m)p'0 =60kPa, carga


p'0 =60kPa, recarga

p'0 =150kPa, carga


p'0 =150kPa, recarga

Figura 4.66. Variación del módulo de corte con la deformación de corte, determinado en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.

4.5 RESISTENCIA BAJO CONDICIONES DE CARGA TRIAXIAL

Para la determinación de los parámetros de resistencia bajo condiciones de carga triaxial no drenada, se realizaron ensayos sobre la muestra inalterada S(4.3-4.9m). En la Figura 4.67 se muestra la evolución de la presión de poros u (intersticial) en función de la deformación axial 1, durante la etapa de rotura sin drenaje. En esta figura se puede observar que para la tensión de confinamiento menor (p'0=60kPa), antes de realizar la trayectoria de descarga (1 2%), las presiones de poros en la muestra comenzaban a descender, indicando que se encontraba muy cerca de la envolvente de rotura.


110


480

500

520

540

560

580

600

Pre

sión

de

poro

s, u

(kP

a)

S(4.3-4.9m)p'0 =60kPa

p'0 =150kPa

Figura 4.67. Variación de la presión de poros con la deformación axial, en ensayo triaxial sobre la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.

En la Figura 4.68 se representan las trayectorias en términos de tensiones efectivas, que se siguieron sobre las diferentes probetas. Así mismo se representa la envolvente lineal de rotura, así como los parámetros resistentes (cohesión y ángulo de fricción, c' y ') en condición drenada, correspondientes a la condición última (q/p')ult para una deformación axial de 1 23-25%. En la figura se puede observar que la trayectoria de carga inicial, seguida por la probeta con la tensión de confinamiento menor (p'0=60kPa) se encontró con la envolvente de rotura antes de realizar la trayectoria de descarga. Los parámetros resistentes (cohesión y ángulo de fricción, c' y '), han sido estimados utilizando la siguiente expresión:

f

6sen ' 6c'cos 'q p'

3 sen ' 3 sen '

(4.19)

Del análisis bajo condiciones triaxiales se obtuvieron los siguientes valores de los parámetros resistentes: c'=2kPa y '=31°.


111

0 50 100 150 200Tensión media efectiva, p' (kPa)

0

50

100

150

200

250

Te

nsió

n d

esvi

ad

ora

, q (

kPa

)

S (4.3-4.9m)cargadescargarecarga

Envol

vent

e de

rotu

ra ú

ltima:

c' =

2kPa,

' =

31º

Figura 4.68. Envolvente de rotura última, trayectorias de tensiones y parámetros de resistencia c' y ', determinados en la etapa de rotura no drenada del ensayo triaxial sobre

la muestra S(4.3-4.9m). Material A-28.

4.6 ACOPLAMIENTO HIDRO-MECÁNICO

Con el objetivo de estudiar los cambios de volumen que ocurren en el limo de baja plasticidad no saturado (material A-28), se realizaron dos ensayos edométricos con control de succión, sobre la muestra CE d=1.4Mg/m³ probetas ESC-1 y ESC-2. En la Figura 4.69 se representan las trayectorias de tensiones en carga/descarga, de humedecimiento/secado, así como las variables tensionales y volumétricas, en un diagrama múltiple SWEP (propuesto por Romero & Vaunat (2000) para dirigirse así a este tipo de gráfico, donde s se refiere a la succión matricial, ew a la relación de agua, e al índice de poros y p a la tensión aplicada). En la figura, se dibuja la curva de retención en el plano de la succión matricial ua-uw en función de la relación de agua ew (ew=wGs, siendo w el contenido de humedad y Gs la gravedad específica de partículas sólidas), la trayectoria de tensiones en el plano de la succión matricial ua-uw en función de la tensión neta vertical σv-ua, la variable de estado volumétrico en el plano del índice de poros e en función de la relación de agua ew y la compresión vertical en el plano del índice de poros e en función de la tensión neta vertical σv-ua (ver Figura 4.69, de izquierda a derecha y de arriba a abajo).


112

En la Figura 4.70 se presentan las etapas de equilibrio de la deformación volumétrica v, de la relación de agua ew y del grado de saturación Sr, en función del cambio de succión matricial ua-uw. De la Figura 4.69 y Figura 4.70 se puede observa una pequeña deformación debida al proceso de carga vertical (trayectoria AB) bajo succión constante, mientras que en los escalones de cambio de succión (humedecimiento-secado) bajo carga constante (tensión neta), se obtiene una respuesta rígida de la estructura asociada a pequeños cambios del índice de poros y del contenido de agua (trayectorias BC y CD); aunque durante la etapa de secado (trayectoria CD) es más fácil expulsar agua que la que induce la deformación volumétrica (compresión) de la muestra, en otras palabras, varía más la relación de agua que el índice de poros. También se puede observar que los cambios volumétricos significativos ocurren en la etapa de humedecimiento final (trayectoria DE), exclusivamente en el tramo del escalón que se pasa de un valor de succión de 10kPa a la saturación (ua-uw=100kPa). En este tramo final es donde se desarrollan los cambios importantes en el grado de saturación, los cuales están asociados al colapso (deformación volumétrica irrecuperable) que sufre el esqueleto sólido de las muestras. Este mismo fenómeno (el colapso) induce una densificación del esqueleto, que a su vez produce una rigidización o endurecimiento de la estructura. También se aprecia claramente, que el suelo alcanza primero el equilibrio de la deformación mecánica antes que el hidráulico (ver plano ewe). En otras palabras, se detiene el colapso de la muestra pero el grado de saturación aún es inferior a la unidad (se encuentra entorno al Sr=0.85 para el ESC-1 y al Sr=0.90 para el ESC-2), por lo que el suelo permite la entrada de agua, sin deformarse, hasta alcanzar la saturación total. En los suelos, el fenómeno de colapso ocurre principalmente, por la aplicación de cargas verticales elevadas (altas) y por la entrada de agua (líquida) al suelo. En los dos casos, estas causas provocan una desestabilización de la estructura rígida del suelo. Los ensayos edométricos con control de succión realizados, han permitido determinar que el suelo estudiado (material A-28), sólo permite la entrada de agua para valores de succión inferiores a 10kPa (cercanos a la saturación). Ello evidencia que la entrada de aire del material se encuentre por debajo de este valor de succión (<10kPa) y por lo cual se hace difícil de medir con las técnicas de control de la succión utilizadas. Los valores de colapso elevados (7 a 8%) obtenidos con los ensayos edométricos de succión controlada se pueden explicar en parte, por el tipo de muestra utilizada. Estas muestras fueron compactadas estáticamente en el laboratorio, reproduciendo las condiciones iniciales (densidad seca y humedad) del terraplén y no se vieron afectadas por las trayectorias de humedecimiento/secado aplicadas, puesto que el agua no entra al suelo para valores de succión superiores a 10kPa. Al comparar los colapsos obtenidos en los ensayos edométricos con control de succión con el realizado en la célula edométrica convencional, todos bajo una tensión vertical constante de 100kPa, observamos que los valores obtenidos no corresponden en orden de magnitud. El colapso medido en el edómetro convencional es 0.7%, muy lejano del 7-8% obtenido en el edómetro de succión controlada. La poca deformación de colapso medida en el edómetro convencional (muestra Blq1/4), probablemente, la podemos atribuir a que la muestra fue parcialmente afectada por la inundación de campo, en la cual la lámina de agua alcanzó una altura de 1.4m (altura a la cual se extrajo la muestra bloque). Por este motivo, puede


113

decirse que el colapso medido en lo ensayo edométrico convencional son un remanente del sufrido in-situ en el terraplén. De la Figura 4.71 a la Figura 4.73 se representan (de forma continua) las evoluciones temporales de la deformación volumétrica v, de la relación de agua ew y del grado de saturación Sr, para cada una de las trayectorias de carga-descarga y humedecimiento-secado aplicadas durante los ensayos edométricos con control de succión. Se puede observar, como se mencionó con anterioridad, que no ocurren cambios significativos en la deformación volumétrica v, en la relación de agua ew así como en el grado de saturación Sr, para valores superiores a los 10kPa de succión matricial.

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7Relación de agua, ew

0.72

0.76

0.80

0.84

0.88

Índ

ice

de

po

ros,

e

ESC-1

ESC-2

1

10

100

2

5

20

50

Succ

ión m

atr

icia

l, (u

a-u

w)

[kP

a]

10 10020 50 200

Tensión neta vert., (v-ua) [kPa]

A B

C

D

E

ABCD

E

A

BCD

E

AB

C

D

E

Figura 4.69. Diagrama múltiple SWEP de los ensayos edométricos con control de succión, sobre las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.


114

1 10 1002 5 20 50

Succión matricial, (ua-uw) [kPa]

30

50

70

90

Gra

do

de

sa

tura

ció

n,

Sr (

%)

ESC-1

ESC-2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Rel

ació

n de

agu

a, e

w

8

6

4

2

0D

ef.

volu

mét

rica,

v

(%) A

BC D

E

A

B

C D

E

A

BC D

E

Figura 4.70. Variación de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación en función de la succión matricial, del ensayo edométrico con control de

succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.


115

0.0

10

.11

1010

01

000

3545

55

65

75

85

95

Grado de saturación,Sr = ew/e (%)0

.40

0.5

0

0.6

0

0.7

0

Relación deagua, ew

86420

Deformación

volumétrica, v (%)

0.1

110

0.1

11

0T

iem

po

, t (

min

)0

.11

10

0.1

11

01

001

000

ES

C-1

ES

C-2

(v-

u a)=

20

kPa

(ua-

u w)=

50kP

a

Tra

yect

oria

: A

B

( v-

ua)

=4

0kP

a(u

a-u

w)=

50kP

a(

v-u

a)=

60

kPa

(ua-

uw)=

50kP

a(

v-u a

)=8

0kP

a(u

a-u w

)=50

kPa

(v-

ua)

=10

0kP

a(u

a-u

w)=

50kP

a

d0

=1

.4M

g/m

3

w0

=1

7±0

.5%

Figura 4.71. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante la trayectoria AB del ensayo edométrico con control de succión, para

las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.


116

0.01 0.1 1 10 100 1000

35

45

55

65

75

85

95

Gra

do

de

sa

tura

ció

n,

Sr =

ew/e

(%

)

0.40

0.50

0.60

0.70

Re

laci

ón

de

ag

ua

, ew

8

6

4

2

0

De

form

aci

ón

volu

mé

tric

a,

v (%

)

0.1 1 10 100 1000

Tiempo, t (min)

0.1 1 10 100 1000

ESC-1

ESC-2

Trayectoria: BC

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=5036kPa

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=3623kPa

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=2310kPa

d0 =1.4Mg/m3

w0 =17±0.5%

Figura 4.72. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante la trayectoria BC del ensayo edométrico con control de succión,

para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.


117

0.01 0.1 1 10 100 1000

35

45

55

65

75

85

95

Gra

do

de

sa

tura

ció

n,

Sr =

ew/e

(%

)

0.4

0.5

0.6

0.7

Re

laci

ón

de

ag

ua

, ew

8

6

4

2

0

De

form

aci

ón

volu

mé

tric

a,

v (%

)

0.1 1 10 100 1000

Tiempo, t (min)

0.1 1 10 100

ESC-1

ESC-2

Trayectoria: CD Trayectoria: DE

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=1036kPa

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=3610kPa

(v-ua)=100kPa

(ua-uw)=100kPa

d0 =1.4Mg/m3

w0 =17±0.5%

Figura 4.73. Variación temporal de la deformación volumétrica, relación de agua y grado de saturación, durante las trayectorias CD y DE del ensayo edométrico con control de

succión, para las probetas de la muestra CE d=1.4Mg/m³. Material A-28.

119

Capítulo 5

RESUMEN. CONCLUSIONES

5.1 RESUMEN

5.1.1 El terraplén de Rouen

Los acuerdos de colaboración científica alcanzados entre el Laboratorio de Geotecnia (UPC) con el “Laboratoire Central des Ponts et Chausséss” (LCPC), la “Ecole Nationale des Ponts et Chausses” (Institut Navier/ CERMES, Paris), el Centre d’Expérimentations Routières (CER, Rouen) y el “Centre d’Etudes Techniques de l’Equipement” (CETE, Normandie Centre), ha permitido disponer de los datos experimentales de campo del Terraplén Experimental de Rouen, que se construyó a escala real (altura de 5.4m) y debidamente acondicionado con sensores de medida. La instrumentación instalada en el cuerpo del terraplén, y fuera de él (estación metereológica), permitían que se monitorearan principalmente, los cambios en las deformaciones verticales y el movimiento del agua dentro de la estructura de suelo. El mismo acuerdo permite realizar conjuntamente, el análisis de los datos correspondientes al comportamiento de la obra.

5.1.2 Investigación experimental realizada

El programa experimental realizado, se ha enfocado en la caracterización de las propiedades geotécnicas del limo A-28 con el que se construyó la base colapsable (poco compactada) del Terraplén de Rouen y en la determinación de su comportamiento hidro-mecánico en condiciones saturadas y no saturadas. Los ensayos de laboratorio han sido realizados sobre material de muestras inalteradas (bloque y sondeo) y muestras compactadas. De manera general, podemos resumir la campaña experimental realizada durante este trabajo de investigación, como sigue: Estudio de la microestructura mediante porosimetrías de intrusión de mercurio (MIP)

y fotografías con microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM). Comparación de la estructura entre muestras fabricadas siguiendo diversos procedimientos de compactación dinámica y estática.

Obtención de la curva de retención (succión-humedad) en los rangos de alta y baja

succión. Dentro del rango de alta succión (>1MPa), se utilizó un psicrómetro de punto de rocío (WP4) siguiendo trayectorias de humedecimiento/secado. El rango de baja succión (<1MPa) se determinó con la ayuda de un nuevo tensiómetro de laboratorio. Estimación de la curva de retención mediante retroanálisis de los datos obtenidos del ensayo de intrusión de mercurio (MIP).

Determinación de la permeabilidad saturada y no saturada (relativa). Mediante la

utilización de métodos indirectos como la intrusión de mercurio (MIP) y retroanálisis


120

de ensayos edométricos con control de succión, así como de métodos directos utilizando célula triaxial bajo condiciones de gradiente controlado.

Caracterización de la compresibilidad frente a carga en condiciones edométricas y a

diferentes humedades (succión). Realización de ensayos edométricos con control de succión, con el objetivo de obtener los parámetros de compresibilidad del suelo a lo largo de trayectorias de tensión neta vertical (carga/descarga) bajo condiciones de deformación lateral nula.

Análisis de la colapsabilidad del material compactado frente a inundación bajo

diferentes tensiones verticales constantes. Realización de ensayos edométricos con control de succión, con el objetivo de estudiar el comportamiento de cambio de volumen a lo largo de trayectorias de humedecimiento/secado.

Realización de ensayos de resistencia y de compresibilidad isótropa bajo condiciones

saturadas, utilizando un equipo triaxial a fin de obtener parámetros para caracterizar el comportamiento mecánico.

Determinación de la densidad seca, succión y humedad, en muestras sometidas al

proceso de inundación y colapso durante la fase de ensayo del terraplén y en muestras de la zona alta del terraplén que han sido sometidas a pocos cambios de humedad.

5.1.3 Metodología experimental propuesta

A partir de los diferentes ensayos de laboratorio realizados para la caracterización del material del Terraplén de Rouen, y luego de analizar los resultados, se elaboró una lista exclusivamente con los ensayos mínimos indispensables que permiten caracterizar adecuadamente el comportamiento de los suelos finos compactados, y a su vez permiten determinar, de forma relativamente directa, los parámetros necesarios en el manejo de un programa de cálculo que utiliza modelos constitutivos para suelos no saturados. En la elaboración del listado, se ha procurado tener en cuenta que los ensayos sean lo más sencillos y convencionales posibles. Estos aspectos tienen una importancia muy relevante, ya que lo que se pretende es generalizar el empleo de los conceptos de la mecánica de los suelos no saturados, en la práctica convencional (habitual) de la ingeniería geotécnica. La campaña experimental propuesta, contemplaría los siguientes ensayos de laboratorio: Determinación de la curva granulométrica. Determinación de los límites de consistencia. Determinación de la curva de compactación Proctor Modificado. Ensayos edométricos convencionales (carga/descarga bajo condiciones de saturación).

Realizados sobre muestras remoldeadas compactadas al 95% de la densidad seca del ensayo Proctor Modificado. Con humedades de remoldeo correspondientes a la humedad óptima (wr=wOPM), humedad óptima menos dos puntos porcentuales

Capítulo 5. Resumen. Conclusiones.

121

(wr=wOPM2%) y humedad óptima más dos puntos porcentuales (wr=wOPM 2%) del ensayo Proctor Modificado.

Ensayos edométricos de carga a humedad controlada, con inundación bajo carga

constante y etapa de carga/descarga bajo condiciones de saturación. Realizados sobre muestras remoldeadas compactadas al 95% de la densidad seca del ensayo Proctor Modificado. Con humedades de remoldeo correspondientes a la humedad óptima (wr=wOPM), humedad óptima menos dos puntos porcentuales (wr=wOPM2%) y humedad óptima más dos puntos porcentuales (wr=wOPM 2%) del ensayo Proctor Modificado. Con estos ensayos se pretende estudiar la colapsabilidad o hinchamiento de los materiales frente a diferentes tensiones de compactación y diferentes humedades.

Determinación de la permeabilidad saturada. Determinación de la curva de retención. Ensayos edométricos con control de succión para determinar la compresibilidad del

material frente a carga a diferentes humedades, la colapsabilidad del material bajo humedecimiento progresivo y el efecto de un secado.

Ensayos de corte directo y/o bajo condiciones triaxiales a diferentes contenidos de

humedad. Esto nos permite observar la variación de la resistencia al corte para diferentes humedades (succiones).

5.1.4 Comparación de la colapsabilidad in-situ con la de laboratorio

Los resultados medidos en campo en el terraplén experimental (instrumentación in-situ) y los obtenidos mediante ensayos en el laboratorio, sobre el limo poco plástico (A-28) poco compactado, mostraron que los valores de colapso alcanzados durante las fases de inundación del terraplén son del 2% bajo una tensión de carga vertical de 100kPa, mientras que en el laboratorio se midieron colapsos del orden del 1% para tensiones de carga vertical hasta 600kPa. Posiblemente, esta menor colapsabilidad de las muestras de laboratorio se debió a que el material del terraplén estuvo afectado parcial o totalmente por la primera inundación de campo (con el objetivo de hacer colapsar la capa de material A-28). La lámina de agua alcanzó una altura de 1.4m, la cual coincide con la altura a la cual se extrajeron las muestras bloque (Blq1 y Blq2).

5.2 CONCLUSIONES

El trabajo realizado durante esta investigación, ha permitido generar una amplia base de datos experimentales sobre un material de un terraplén real, que permite analizar la respuesta de terraplenes frente a cambios en la cantidad del contenido de agua. Con este trabajo se ha logrado: Determinar, mediante una exhaustiva campaña de ensayos de laboratorio, la

caracterización geotécnica y propiedades hidro-mecánicas del limo A-28 del Terraplén


122

de Rouen. Esto se logró mediante la utilización de muestras inalteradas y compactadas, para reproducir las condiciones inicial y final de la construcción del terraplén.

Profundizar en el análisis experimental de la microestructura mediante la

determinación de la distribución de tamaño de poro. Se han estudiado los cambios en la microestructura de suelos compactados sometidos a cambios de humedad y/o succión. Se ha utilizado la información del ensayo de intrusión de mercurio (MIP) para estimar la curva de retención y la permeabilidad al agua. Los resultados obtenidos a partir de la porosimetría se han comparado con los obtenidos por métodos directos. El contraste de las diferentes técnicas utilizadas ha sido adecuada.

Poner a punto el empleo de tensiómetros de laboratorio de alta succión, para la

determinación de la curva de retención. Se ha dedicado un cierto esfuerzo a la puesta a punto de este equipo, así como al desarrollo de un procedimiento fiable de saturación de la piedra AVEA del tensiómetro y a la ejecución y repetibilidad de las medidas. Este equipo permite alcanzar medidas de succión elevados (>80kPa), que pueden traslaparse con los valores obtenidos con el psicrómetro de punto de rocío (WP4).

Desarrollar una metodología experimental, enfocada siempre desde el punto de vista de

los suelos no saturados, que minimiza el número de ensayos necesarios para caracterizar el comportamiento de un suelo compactado. Se puede decir, de forma general, que la metodología experimental de trabajo aplicada, se ha adecuado correctamente en la exploración de las características (fundamentales) de comportamiento de terraplenes. Esta metodología se ha aplicado igualmente, al caso real de un terraplén para la línea del AVE en la provincia de Barcelona: Campaña de reconocimiento complementaría de las obras correspondientes al ‘Proyecto de construcción de plataforma de la línea de Alta Velocidad Madrid–Zaragoza–Barcelona–Frontera Francesa. Tramo: Montornés del Vallés–La Roca del Vallés’, GeoPayma S.A.U. (2008).

Obtener algunos parámetros del comportamiento de terraplenes mediante un

programa experimental, necesarios para la utilización y/o desarrollo de modelos constitutivos de suelos no saturados (BBM o similares) implementados en programas de elementos finitos. Con esta investigación, realizada sobre el limo poco plástico (material A-28) del Terraplén experimental de Rouen, cabe destacar la obtención de los parámetros hidráulicos como la curva de retención, la permeabilidad saturada y no saturada (relativa), y los parámetros mecánicos como el ángulo de rozamiento interno, módulo de compresibilidad edométrico, módulo secante no drenado, módulo de corte, los coeficientes de compresibilidad edométrico e isótropo (condiciones triaxiales).

Del estudio de los resultados de campo, se observa que los colapsos producidos por la

inundación del suelo compactado deficitáriamente (limo A-28) resultaron pequeños debido a la carga aplicada durante el proceso de construcción de las capas superiores (limo SNEC). El material no desarrollo el máximo colapso a la carga máxima. Este hecho hace importante estudiar la colapsabilidad del material bajo diferentes tensiones verticales.

Los ensayos con control de succión sobre limos arcillosos, no permiten evidenciar todo

el desarrollo del colapso debido a que esto ocurre por debajo de succiones inferiores a 10kPa, cuando el agua entra en la estructura del suelo. Poder controlar succiones por debajo de 10kPa, requiere la utilización de una columna de agua o de técnicas

Capítulo 5. Resumen. Conclusiones.

123

experimentales diferentes. En este sentido, es mejor realizar una inundación convencional para ver el desarrollo del colapso. Los ensayos de succión controlada son adecuados (buenos) para medir la permeabilidad relativa (no saturada) y desarrollar trayectorias de secado para el estudio de la rigidez.

Es importante definir la variación de la tensión de preconsolidación bajo diferentes

humedades (succiones). Un procedimiento adecuado sería la utilización o seguimiento de trayectorias de carga/descarga bajo diferentes succiones (o humedades constantes), realizadas en condiciones isótropas mejor que edométricas. El estudio de la curva carga-colapso (LC) mediante ensayos de humedecimiento progresivo (transición expansión-colapso) es más complicado por la dificultad de poder controlar succiones por debajo de 10kPa.

5.3 FUTURAS LÍNEAS DE TRABAJO

A manera de reflexión, a partir del trabajo experimental realizado para la consecución del presente documento, se realizan algunas propuestas y comentarios sobre las futuras líneas de trabajo o investigación.

5.3.1 Estudio experimental

Aunque el trabajo desarrollado abarcó una gran cantidad de ensayos de laboratorio, se plantean algunos ensayos complementarios para comparar sus resultados con los divulgados en este documento: Realizar ensayos de hinchamiento/colapso sobre muestras compactadas estáticamente,

reproduciendo las condiciones iniciales del terraplén para evaluar la influencia de la inundación sobre material reconstituido.

Realizar ensayos de consolidación isótropa sobre muestras compactadas

estáticamente, con el objetivo de determinar la tensión de preconsolidación ( *0p ) a

diferentes humedades (succiones). Esto nos permitiría definir (dibujar) la curva de carga-colapso (LC) en el plano de la tensión neta p y succión s (p-s), para estudiar el comportamiento del material en los rangos de succión cercanos a la saturación (<10kPa). Esto también nos permitiría estudiar el efecto de los estados ‘lado seco’ y ‘lado húmedo’ en la forma de la curva LC.

Realizar ensayos de intrusión de mercurio (MIP) sobre muestras compactadas

estáticamente, reproduciendo las condiciones iniciales del terraplén con el objetivo de conocer dicho estado.

Realizar ensayos de permeabilidad al gas para las diferentes condiciones de estudio del

terraplén (inicial y final), con el objetivo de estudiar la permeabilidad intrínseca y su variación frente a diferentes contenidos de humedad.


124

Realizar ensayos de permeabilidad saturada en dos direcciones (horizontal y vertical) sobre muestras inalteradas, con el objetivo de estudiar la anisotropía presente en la estructura del suelo compactado en el terraplén.

5.3.2 Modelación numérica

Con el propósito de aprovechar el trabajo experimental realizado, se propone ahora la utilización de códigos numéricos que utilicen modelos constitutivos de suelos no saturados, para realizar simulaciones que permitan avanzar en el análisis de respuestas de terraplenes (suelos compactados) frente a ciclos de humedecimiento/secado, teniendo como referencia los datos aportados por el presente trabajo de investigación y por los datos de campo (instrumentación) del Terraplén de Rouen: Realizar simulaciones de algunos ensayos de laboratorio, como por ejemplo los ensayos

de colapso con succión controlada (humedecimiento progresivo con etapa de secado). Incorporar en la simulación del terraplén la construcción por etapas (capa a capa) y la

influencia de sus condiciones de contorno (factores ambientales). Realizar análisis de sensibilidad para conocer la influencia de las condiciones iniciales

(densidad seca y humedad), en el comportamiento del terraplén. Realizar análisis de sensibilidad sobre el efecto que tiene la altura del terraplén y la

permeabilidad del suelo compactado, sobre materiales con tendencia a la expansión.

5.3.3 Equipo experimental

Durante el desarrollo de la campaña experimental, se han utilizado diversos equipos y técnicas de ensayo. Pensando en posteriores trabajos, se plantean las siguientes sugerencias: Mejorar el sistema de los tensiómetros mediante la construcción de una cámara de

presurización y el desarrollo de un programa de adquisición de datos ‘fino’. Implementar el tensiómetro en algunos de los equipos hidro-mecánicos con control de

succión disponibles en el laboratorio, como por ejemplo, edómetros, corte directo o triaxial.

125

REFERENCIAS

Alonso, E.E., A. Gens & A. Josa (1990). A constitutive model for partially saturated soils.

Géotechnique 40(3), pp 405–430. Alonso, E.E., A. Josa & A. Gens (1993). Modelling the behaviour of compacted soils.

Unsaturated soils. Geotech. Special Publication, ASCE 39, pp 103–114. Barrera, M (2002). Estudio experimental del comportamiento hidro-mecánico de suelos

colapsables. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de Catalunya. Boso, M., Romero, E. and Tarantino, A. (2004). The use of different measurement

techniques to determine water retention curves. 93 Springer Proceedings in Physics. Unsaturated Soils: Experimental Studies. T. Schanz (ed.). Springer, Berlin, Vol. 1, pp 169-181.

Cardoso, R., Romero, E., Lima, A. & Ferrari, A. (2007). A comparative study of soil suction

measurement using two different high-range psychrometers. Experimental Unsaturated Soil Mechanics. 2nd International Conference Mechanics of Unsaturated Soils. Weimar, Germany, March 7-9. T. Schanz (ed.). Springer Proceedings in Physics, 112. Springer-Verlag, Berlin: 79-93.

Decagon Devices, Inc. (2003). WP4 Water Dewpoint Potentiometer. Operator’s Manual

Version 2.2. Decagon Devices, Inc., Pullman, USA (www.decagon.com). Delage, P., Audiguier, M., Cui, Y.-J. & Howat, D. (1996). Microstructure of a compacted

silt. Can. Geotech. J., 33:150-158. Diamond, S. (1970). Pore size distributions in clays. Clays and Clay Minerals, 18: 7-23. Dimos, A. (1991). Measurement of soil suction using transistor psycrometer. Internal

Report IR/91 3, Special Research Section. Materials Technology Department, Vic. Roads.

Fredlund, D.G. & Rahardjo, H. (1993). Soil Mechanics for Unsaturated Soils. John Wiley

& Sons, New York. GeoPayma S.A.U. (2008). Campaña de reconocimiento complementaría de las obras

correspondientes al ‘Proyecto de construcción de plataforma de la línea de Alta Velocidad Madrid–Zaragoza–Barcelona-Frontera Francesa. Tramo: Montornés del Vallés–La Roca del Vallés’. Informe de Ensayos de Laboratorio.

Hoffmann, C. (2005). Caracterización hidromecánica de mezclas de pellets de bentonita.

Estudio experimental y constitutivo. Tesis doctoral. Universitat Politècnica de Catalunya.

LCPC (2007). Remblais en zones humides et inondables. Conséquences de l’inondation du

remblai expérimental de Rouen et enseignements tirés pour la conception. Rapport final. Convention SNCF-LCPC-CETE Normandie Centre.

Referencias.

126

Leong, E.-C., Tripathy, S. and Rahardjo, H. (2003). Total suction measurement of un-saturated soils with a device using the chilled-mirror dew-point technique. Géotechnique 53(2), pp 173–182.

Ridley, A.M. & Burland, J.B. (1995). Measurement of suction in materials which swell.

Applied Mechanics Reviews, 48(9). Ridley, A.M. & Wray, W. K. (1996). Suction measurement: A review of current theory and

practices. Proc. 1st Int. Conf. On Unsaturated Soils, Paris. E.E. Alonso and P. Delage (eds.), Balkema/Presses des Ponts et Chaussées, 3: 1293-1322.

Ridley, A.M. & Burland, J.B. (1993). A new instrument for the measurement of soil

moisture suction. Géotechnique, 43(2):321-324. Romero, E.; Gens, A.; Lloret, A. (1999). Water permeability, water retention and

microstructure of unsaturated compacted Boom clay. Engineering Geology, (54): 117-127.

Romero, E. (1999). Characterisation and thermo-hydro-mechanical behaviour of un-

saturated Boom clay: an experimental study. PhD Thesis. Universitat Politècnica de Catalunya.

Romero, E & Vaunat, J. (2000). Retention curves of deformable clays. Experimental

Evidence and Theoretical Approaches in Unsaturated Soils, Proc. Int. Workshop on Unsaturated Soils, Trento, Italy. A. Tarantino and C. Mancuso (eds), A.A. Balkema Rotterdam, pp 91-108.

Romero, E. (2001). Controlled-suction techniques. 4th National Brazilian Symposium on

Unsaturated Soils, W.Y. Gehling e F. Schnaid (eds), ABMS, Brazil, pp 535-542. Russam, K & J.D. Coleman. (1961). The effect of climatic factor son subgrade moisture

conditions. Géotechnique 11, pp 22–28. Truong, HVP and Holden, JC, (1995). Soil Suction Measurement with Transistor

Psychrometer. Proc. 1st Int. Conf. on Unsaturated Soils (UNSAT 95), Paris, E.E. Alonso & P. Delage (eds). A.A. Balkema Rotterdam. Vol. 2, pp 659-665.

van Genuchten MTh (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic

conductivity of unsaturated soils. Soil Sci. Soc. Am J., 49(2), pp 143-159. Woodburn, JA and Lucas, B (1995). New Approaches to the Laboratory and Field

Measurement of Soil Suction. Proc. 1st Int. Conf. on Unsaturated Soils (UNSAT 95), Paris, E.E. Alonso & P. Delage (eds). A.A. Balkema Rotterdam. Vol. 2, pp 667-671.

0a caratula MsC - UPCommonsupcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/6571/00.pdfMinisterio de...

Documents

Transcript of 0a caratula MsC - UPCommonsupcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/6571/00.pdfMinisterio de...